演算法導論 13 貪心演算法

2022-02-13 13:14:56 字數 2586 閱讀 7134

與動態規劃類似,貪心演算法也將問題化簡為規模較小的子問題,並通過遞迴解決子問題來獲取整個問題的解。不同的是,貪心問題不對子問題進行比較,而是只生成乙個非空的子問題,而使選擇在當時看上去是最優的(即「貪心」的含義)

幾個互相競爭的活動都要求以獨佔的方式占用某個公用資源(如選修課程對個人可支配時間的要求,或會議對會議室的要求),每個活動都有開始時間和結束時間。如何安排活動,使在總時間內開展的活動次數最多?形式化的,一組活動組成的集合 $s=$ ,每乙個活動 $a_i$ 都有開始時間 $s_i$ 和結束時間 $f_i$ 。求一組互相相容的活動的最大子集合 $s'$。

貪心演算法:

將所有活動按照結束時間排序,得到新的 $s$,首先選取結束時間最小 $a_1$ 的加入解 $s'$,然後檢查 $a_2$ ,如果 $a_2$ 的開始時間大於當前已加入解的所有活動(目前就乙個 $a_1$)的結束時間,那麼就捨棄之,否則將其加入解 $s'$ ,再檢查 $a_3$,以此類推。

能夠證明,貪心演算法獲取的是全域性最優解:

我們可以說,在排序後的 $s$,第乙個活動 $a_1$(結束時間最早的活動)一定在最優解 $s'$ 中。為什麼呢?因為假設 $s'$ 不包含 $a_1$,那麼一定包含乙個與 $a_1$ 不相容的 $a_i$ ,是吧?(如果這都不能滿足,直接向 $s'$ 中加入 $a_1$ ,得到的新子集就比 $s'$ 多了乙個元素,那麼 $s'$ 就不是最優解了)然後,我們可以斷言,從 $s'$ 去掉 $a_i$ 再加上 $a_1$,$s'$ 仍然是最優解。

為什麼呢?因為 $a_1$ 的結束時間是最早的,所以 $a_i$ 與 $a_1$ 不相容的方式只能是:$a_i$ 的開始時間比 $a_1$ 結束時間早(但結束時間比 $a_1$ 結束時間晚),而且因為 $s'$ 中除了 $a_i$ 的其他活動都與 $a_i$ 相容(理所當然,否則 $s'$ 連解都不是,何談最優解?),這些其他活動都會出現在 $a_i$ 後面(也就是這些活動的開始時間比 $a_i$ 的結束時間晚),而不是前面。如果出現在前面呢? 拜託,如果這些活動在 $a_i$ 前面,那麼這些活動的結束時間比 $a_i$ 的開始時間早,也就是比 $a_1$ 的結束時間早。這怎麼可能呢?$a_1$ 就是$s$ 中具有最早結束時間的活動了啊。

原理說起來拗口,實現做起來卻相當簡單:

class

actvty

const

double getstart() const

const

double getend() const

const

int getid() const

bool

operator

<(const actvty& tmp) const

private

:

double

_start;

double

_end;

int_id;

};std::vector

slctn(std::vector&all)

}return

rslt;

}

練習16.1-3 假設用多個資源對一組活動進行排程,我們希望使用盡可能少的資源來滿足所有活動要求。

思路:和活動選擇問題類似,只不過當乙個活動不能被(當前開闢的資源)滿足時,我們不是將它捨棄,而是新開闢乙個資源供其使用。

竊賊在偷竊一家商店時發現有 $n$ 件物品 $s=a_1,a_2...a_n$ ,每一件物品 $a_i$ 都有其價值 $v_i$ 和重量 $w_i$ ,作為乙個有尊嚴的竊賊,他曾發誓每次只偷最多 $w$ 重量的貨物,那麼如何在不違背誓言的情況下,從贓物中獲得最大的價值?

貪心演算法:

將所有物品按照 $v_i/w_i$ 值(姑且稱為「單價」吧)排序,然後先拿單價最高的,然後拿單價次高的,如果拿到乙個物品後超重了,那就捨棄它並繼續上述過程,直到商店裡所有剩下物品中的任意一件都會使盜賊的贓物超重。

0-1揹包問題是np的,所以貪心演算法不保證最優解。乙個簡單的例子就是:竊賊只偷取 10kg 物體,商店裡只有兩件物品,一件1kg,價值20元,單價20,另一件9.5kg,價值950元,單價10元。如果竊賊遵循貪心演算法,就不能獲得最優解了。

習題16.2-4某教授駕車從 a 地到 b 地,總里程數確定。油箱中的汽油能支援的里程也是確定的,途中有若干個加油站。教授希望加油的次數盡量少,請確定需要加油的加油站,支援教授的車駛完全程。(假設教授出發時郵箱是滿的)。

這個演算法可以證明是最優的,即假設加油站序列為 $s=$,貪心解中的第乙個加油站為 $s_i$ 一定在最優解中。如果 $s_i$ 不在最優解中,那麼最優解中一定有乙個加油站 $s_p$ 在 $s_i$ 之前,否則車開不到 $s_i+1$ 。假設最優解中的第二個加油站為 $s_q$ ,那麼從最優解中去掉 $s_p$ 加上 $s_q$ 仍然是最優解。

習題16.2-7兩個集合 $a$ 和 $b$ ,各有 $n$ 個正整數,你可以按照自己的意願對其進行排序。重新排序後,設 $a_i$ 為 $a$ 中的第 $i$ 個元素,$b_i$ 為 $b$ 中的第 $i$ 個元素。請排序元素,使 $\prod a_^}$ 最大。

思路:全部遞增排序就是。證明也很簡單,就是證明當 $a_1>b_1$ 且 $a_2>b_2$ 時(當然都是正整數啊),$a_1^>a_2^$ 。

演算法導論之貪心演算法

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