枚举法

在进行归纳推理时,如果逐个考察了某类事件的所有可能情况,因而得出一般结论,那么这结论是可靠的,这种归纳方法叫做枚举法.

  一、特点:将问题的所有可能的答案一一列举,然后根据条件判断此答案是否合适,合适就保留,不合适就丢弃。例如:

  找出1到100之间的素数。需要将1到100之间的所有整数进行判断。

  枚举算法因为要列举问题的所有可能的答案,所有它具备以下几个特点:

  1、得到的结果肯定是正确的;

  2、可能做了很多的无用功,浪费了宝贵的时间,效率低下。

  3、通常会涉及到求极值(如最大,最小,最重等)。

  二、枚举算法的一般结构:while循环。

  首先考虑一个问题:将1到100之间的所有整数转换为二进制数表示。

  算法一:

  for i:=1 to 100 do begin

  将i转换为二进制,采用不断除以2,余数即为转换为2进制以后的结果。一直除商为0为止。

  end;

  算法二:二进制加法,此时需要数组来帮忙。

  program p;

  var a:array[1..100] of integer; {用于保存转换后的二进制结果}

  i,j,k:integer;

  begin

  fillchar(a,sizeof(a),0); {100个数组元素全部初始化为0}

  for i:=1 to 100 do begin

  k:=100;

  while a[k]=1 do dec(k); {找高位第一个为0的位置}

  a[k]:=1; {找到了立刻赋值为1}

  for j:=k+1 to 100 do a[j]:=0; {它后面的低位全部赋值为0}

  k:=1;

  while a[k]=0 do inc(k); {从最高位开始找不为0的位置}

  write('(',i,')2=');

  for j:=k to 100 do write(a[j]); {输出转换以后的结果}

  writeln;

  end;

  end.

  枚举法,常常称之为穷举法,是指从可能的集合中一一枚举各个元素,用题目给定的约束条件判定哪些是无用的,哪些是有用的。能使命题成立者,即为问题的解。

  采用枚举算法解题的基本思路:

  (1) 确定枚举对象、枚举范围和判定条件;

  (2) 一一枚举可能的解,验证是否是问题的解

  下面我们就从枚举算法的的优化、枚举对象的选择以及判定条件的确定,这三个方面来探讨如何用枚举法解题。

  例1:百钱买百鸡问题:有一个人有一百块钱,打算买一百只鸡。到市场一看,大鸡三块钱一只,小鸡一块钱三只,不大不小的鸡两块钱一只。现在,请你编一程序,帮他计划一下,怎么样买法,才能刚好用一百块钱买一百只鸡?

  算法分析:此题很显然是用枚举法,我们以三种鸡的个数为枚举对象(分别设为x,y,z),以三种鸡的总数(x+y+z)和买鸡用去的钱的总数(x*3+y*2+z)为判定条件,穷举各种鸡的个数。

  下面是解这个百鸡问题的程序

  var x,y,z:integer;

  begin

  for x:=0 to 100 do

  for y:=0 to 100 do

  for z:=0 to 100 do{枚举所有可能的解}

  if (x+y+z=100)and(x*3+y*2+z div 3=100)and(z mod 3=0)then writeln('x=',x,'y=',y,'z=',z); {验证可能的解,并输出符合题目要求的解}

  end.

  上面的条件还有优化的空间,三种鸡的和是固定的,我们只要枚举二种鸡(x,y),第三种鸡就可以根据约束条件求得(z=100-x-y),这样就缩小了枚举范围,请看下面的程序:

  var x,y,z:integer;

  begin

  for x:=0 to 100 do

  for y:=0 to 100-x do

  begin

  z:=100-x-y;

  if (x*3+y*2+z div 3=100)and(z mod 3=0)then writeln('x=',x,'y=',y,'z=',z);

  end;

  end.

  未经优化的程序循环了1013 次,时间复杂度为O(n3);优化后的程序只循环了(102*101/2)次 ,时间复杂度为O(n2)。从上面的对比可以看出,对于枚举算法,加强约束条件,缩小枚举的范围,是程序优化的主要考虑方向。

  在枚举算法中,枚举对象的选择也是非常重要的,它直接影响着算法的时间复杂度,选择适当的枚举对象可以获得更高的效率。如下例:

  例2、将1,2...9共9个数分成三组,分别组成三个三位数,且使这三个三位数构成1:2:3的比例,试求出所有满足条件的三个三位数.

  例如:三个三位数192,384,576满足以上条件.(NOIP1998pj)

  算法分析:这是1998年全国分区联赛普及组试题(简称NOIP1998pj,以下同)。此题数据规模不大,可以进行枚举,如果我们不加思地以每一个数位为枚举对象,一位一位地去枚举:

  for a:=1 to 9 do

  for b:=1 to 9 do

  ………

  for i:=1 to 9 do

  这样下去,枚举次数就有99次,如果我们分别设三个数为x,2x,3x,以x为枚举对象,穷举的范围就减少为93,在细节上再进一步优化,枚举范围就更少了。程序如下:

  var

  t,x:integer;

  s,st:string;

  c:char;

  begin

  for x:=123 to 321 do{枚举所有可能的解}

  begin

  t:=0;

  str(x,st);{把整数x转化为字符串,存放在st中}

  str(x*2,s); st:=st+s;

  str(x*3,s); st:=st+s;

  for c:='1' to '9' do{枚举9个字符,判断是否都在st中}

  if pos(c,st)<>0 then inc(t) else break;{如果不在st中,则退出循环}

  if t=9 then writeln(x,' ',x*2,' ',x*3);

  end;

  end.

  在枚举法解题中,判定条件的确定也是很重要的,如果约束条件不对或者不全面,就穷举不出正确的结果, 我们再看看下面的例子。

  例3 一元三次方程求解(noip2001tg)

  问题描述 有形如:ax3+bx2+cx+d=0 这样的一个一元三次方程。给出该方程中各项的系数(a,b,c,d 均为实数),并约定该方程存在三个不同实根(根的范围在-100至100之间),且根与根之差的绝对值>=1。

  要求由小到大依次在同一行输出这三个实根(根与根之间留有空格),并精确到小数点后2位。

  提示:记方程f(x)=0,若存在2个数x1和x2,且x1<x2,f(x1)*(x2)<0,则在(x1,x2)之间一定有一个根。

  样例

  输入:1 -5 -4 20

  输出:-2.00 2.00 5.00

  算法分析:由题目的提示很符合二分法求解的原理,所以此题可以用二分法。用二分法解题相对于枚举法来说很要复杂很多。此题是否能用枚举法求解呢?再分析一下题目,根的范围在-100到100之间,结果只要保留两位小数,我们不妨将根的值域扩大100倍(-10000<=x<=10000),再以根为枚举对象,枚举范围是-10000到10000,用原方程式进行一一验证,找出方程的解。

  有的同学在比赛中是这样做

  var

  k:integer;

  a,b,c,d,x :real;

  begin

  read(a,b,c,d);

  for k:=-10000 to 10000 do

  begin

  x:=k/100;

  if a*x*x*x+b*x*x+c*x+d=0 then write(x:0:2,' ');

  end;

  end.

  用这种方法,很快就可以把程序编出来,再将样例数据代入测试也是对的,等成绩下来才发现这题没有全对,只得了一半的分。

  这种解法为什么是错的呢?错在哪里?前面的分析好象也没错啊,难道这题不能用枚举法做吗? 看到这里大家可能有点迷惑了。

  在上面的解法中,枚举范围和枚举对象都没有错,而是在验证枚举结果时,判定条件用错了。因为要保留二位小数,所以求出来的解不一定是方程的精确根,再代入ax3+bx2+cx+d中,所得的结果也就不一定等于0,因此用原方程ax3+bx2+cx+d=0作为判断条件是不准确的。

  我们换一个角度来思考问题,设f(x)=ax3+bx2+cx+d,若x为方程的根,则根据提示可知,必有f(x-0.005)*(x+0.005)<0,如果我们以此为枚举判定条件,问题就逆刃而解。另外,如果f(x-0.005)=0,哪么就说明x-0.005是方程的根,这时根据四舍5入,方程的根也为x。所以我们用(f(x-0.005)*f(x+0.005)<0) 和 (f(x-0.005)=0)作为判定条件。为了程序设计的方便,我们设计一个函数f(x)计算ax3+bx2+cx+d的值,程序如下:

  {$N+}

  var

  k:integer;

  a,b,c,d,x:extended;

  function f(x:extended):extended; {计算ax3+bx2+cx+d的值}

  begin

  f:=((a*x+b)*x+c)*x+d;

  end;

  begin

  read(a,b,c,d);

  for k:=-10000 to 10000 do

  begin

  x:=k/100;

  if (f(x-0.005)*f(x+0.005)<0) or (f(x-0.005)=0) then write(x:0:2,' '); {若x两端的函数值异号或x-0.005刚好是方程的根,则确定x为方程的根}

  end;

  end.

  用枚举法解题的最大的缺点是运算量比较大,解题效率不高,如果枚举范围太大(一般以不超过两百万次为限),在时间上就难以承受。但枚举算法的思路简单,程序编写和调试方便,比赛时也容易想到,在竞赛中,时间是有限的,我们竞赛的最终目标就是求出问题解,因此,如果题目的规模不是很大,在规定的时间与空间限制内能够求出解,那么我们最好是采用枚举法,而不需太在意是否还有更快的算法,这样可以使你有更多的时间去解答其他难题。

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