2019-10-23 贪心算法

    记得刚开始学算法的时候,以为这个贪心算法是个固定一套的有模板算法,其实这个变化还是很灵活的

    贪心算法在思想上简单、操作高效,省去了为找到最优解可能需要的穷举操作,但是不会求出问题的最优解,从而错过真正答案,比如:

                    找零钱:25分,20分,5分,1分 凑出41分,怎样搭配硬币个数最少

    贪心算法的思路无非是对每一步或者每一个子问题取最优:

                    第一步:  取25分

                    第二步:25<41,取5

                    第三步:25+5<41,取5

                    第四步:25+5+5<41,取5

                    第五步:25+5+5+5<41,取1

                    第六步:41==41

    所以取五个硬币,但由于每一步都局限与每一个子问题的最优解,所以,并不能保证整体有最优解(贪心算法是没有回溯的),最优解应该是3个硬币,即:

                    2个20加1个1分。

    但是如果把20分改成10分,那么用贪心算法求解出来的就是最优解

    贪心算法主要由三个步骤:

                    1.建立对问题精确描述的数学模型,包括定义最优解模型

                    2.将问题分解为一系列子问题,同时定义子问题的最优解结构

                    3.应用贪心原则确定每个子问题的局部最优解,并根据最优解的模型,用字问题的局部最优解堆叠出全局的最优解

    0-1背包问题:贪心算法

        记得前面写过一篇动态规划的0-1背包问题,记得当时啃了挺久的,现在又要写贪心版的0-1背包问题,估计又要啃挺久了,本来脑子就不太适合搞算法,还是出于兴趣。但这篇可能没有具体代码,因为时间紧迫,毕设加考研 简单整理一下给自己看看

       0-1背包问题:

                                有N件物品和一个承重为C的背包,每件物品的重量是wi,价值是pi,求解  将哪几件物品装入背包可这些物品在总重量总和不超过C的情况下价值总和最大。

                背包问题(Knapsack Problem)是组合优化的NP完全问题的总称,如货箱装载问题,货船载物问题等,这个问题隐含了一个条件:每个物品只有一件,也就是限定每件物品只能选择1个或0个,因此又被称为0-1背包问题。

                                有一个背包,最多能承载C=150的物品,现在有编号为1-7的7个物品,重量分别是wi=[35,30,60,50,40,10,25],价值分别是pi=[10,40,30,50,35,40,30]。

    现在从这7个物品中选择一个或者多个装入背包,要求在物品总重量不超过C的前提下,所装入的物品总价值最高。

    1.初步分析:两个条件:

                         1)wi和pi

                        2)C和N


    2.进一步分析:

        对于第一 个条件:

                每个物品还需要一个状态用于标记是否已经被选择(贪心算法没有回溯,所以拿了就不能再考虑放回或者怎么样)

        对于第二个条件:

                背包问题包括两个属性,一个是可选物品列表,另一个是背包总的承重量

    3.构建数学模型:

            typedef struct{

                    int weight;

                    int price;

                    int status;  //0:未选中;1:已选中;2:已经不可选

                }OBJECT

            typedef struct{

                    std::vector objs;

                    int totalC;

            }KNAPSACK_PROBLEM

    4.确定子问题:

            在背包承重还有C'的情况下,选择一个还没有被选择过的物品装入背包,每选择一次物品p[i],都要调整背包承重量:

                                    C' = C'-p[i].weight

      直到不能再装入物品,或者所有物品都已经装入背包。

    5.细分子问题:

                那么如何选择物品呢?

                    1)根据物品价值选择,每次都选价格最高的物品:

                            4、2、6、5     总重量是130,总价值是165

                    2)根据物品重量选择,每次都选重量最轻的物品:

                            6、7、2、1、5  总重量是140,总价值是155

                    3)根据价值密度(si=pi/wi)

                            6、2、7、4、1 总重量是150,总价值是170

GreedyAlgo() 函数是贪心算法的主体结构,包括子问题的分解和选择策略的选择都在这个函数中。能够明显看出来这个算法使用了迭代法的算法模式,当然,这个算法主体的实现还可以使用递归法,正如函数所展示的那样,它可以作为此类问题的一个通用解决思路:

                void GreedyAlgo(KNAPSACK_PROBLEM *problem,SELECT_POLICY spFunc){

                           int idx;

                           int ntc = 0;

                           // spFunc 每次选择最符合策略的那个物品,选后再检查

                            while((idx = spFunc(problem->objs, problem->totalC - ntc))!=-1)

                                {

                                                //所选物品是否满足背包承重要求?        

                                            if((ntc + problem->objs[idx].weight) <= problem->totalC)

                                              {

                                                    problem->objs[idx].status = 1;

                                                    ntc += problem->objs[idx].weight;

                                                }

                                                else        {

                                                        //不能选这个物品了,做个标记后重新选                                                                        problem->objs[idx].status = 2;

                                                                }

                                         }

                                                            PrintResult(problem->objs);

                    }

spFunc 参数是选择策略函数的接口,通过替换这个参数,可以实现上文提到的三种贪婪策略,分别得到各种贪婪策略下得到的解。以第一种策略为例,每次总是选择 price 最大的物品,可以这样实现:

                int Choosefunc1(std::vector& objs,intc){

                    int index = -1;  //-1表示背包容量已满    

                    int mp = 0;

                    for(int i = 0; i < static_cast(objs.size()); i++)

                    {

                            if((objs[i].status == 0) && (objs[i].price > mp))

                        {

                            mp = objs[i].price;

                            index = i;    

                        }

                    }

                    return index;

                }


看起来第三种策略取得了最好的结果,和动态规划方法得到的最优结果是一致的,但是实际上,这只是对这组数据的验证结果而已,如果换一组数据,结果可能完全相反。当然,对于一些能够证明贪婪策略得到的就是最优解的问题,应用贪婪法可以高效地求得结果,比如求最小生成树的 Prim 算法和 Kruskal 算法。

在大多数情况下,贪婪法受自身策略模式的限制,通常很难直接求解全局最优解问题,也很难用于多阶段决策问题。贪婪法只能得到比较接近最优解的近似最优解,但是作为一种启发式辅助方法在很多算法中都得到了广泛的应用,很多常用的算法在解决局部最优决策时,都会应用到贪婪法。比如 Dijkstra 的单源最短路径算法在从 dist 中选择当前最短距离的节点时,就是采用的贪婪法策略。事实上,在任何算法中,只要在某个阶段使用了只考虑局部最优情况的选择策略,都可以理解为使用了贪婪算法。

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