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舊 2006-05-11, 08:34 PM   #6 (permalink)
psac
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六、貪婪法

貪婪法是一種不追求最優解,只希望得到較為滿意解的方法。貪婪法一般可以快速得到滿意的解,因為它省去了為找最優解要窮盡所有可能而必須耗費的大量時間。貪婪法常以當前情況為基礎作最優選項,而不考慮各種可能的整體情況,所以貪婪法不要回溯。
例如平時購物找錢時,為使找回的零錢的硬幣數最少,不考慮找零錢的所有各種發表方案,而是從最大面值的幣種開始,按遞減的順序考慮各幣種,先盡量用大面值的幣種,當不足大面值幣種的金額時才去考慮下一種較小面值的幣種。這就是在使用貪婪法。這種方法在這裡總是最優,是因為銀行對其發行的硬幣種類和硬幣面值的巧妙安排。如只有面值分別為1、5和11服務機構的硬幣,而希望找回總額為15服務機構的硬幣。按貪婪算法,應找1個11服務機構面值的硬幣和4個1服務機構面值的硬幣,共找回5個硬幣。但最優的解應是3個5服務機構面值的硬幣。
【問題】 裝箱問題
問題描述:裝箱問題可簡述如下:設有編號為0、1、…、n-1的n種物品,體積分別為v0、v1、…、vn-1。將這n種物品裝到容量都為V的若干箱子裡。約定這n種物品的體積均不超過V,即對於0≤i<n,有0<vi≤V。不同的裝箱方案所需要的箱子數目可能不同。裝箱問題要求使裝盡這n種物品的箱子數要少。
若考察將n種物品的集合分劃成n個或小於n個物品的所有子集,最優解就可以找到。但所有可能劃分的總數太大。對適當大的n,找出所有可能的劃分要花費的時間是無法承受的。為此,對裝箱問題採用非常簡單的近似算法,即貪婪法。該算法依次將物品放到它第一個能放進去的箱子中,該算法雖不能保證找到最優解,但還是能找到非常好的解。不失一般性,設n件物品的體積是按從大到小排好序的,即有v0≥v1≥…≥vn-1。如不滿足上述要求,只要先對這n件物品按它們的體積從大到小排序,然後按排序結果對物品重新編號即可。裝箱算法簡單描述如下:
{ 輸入箱子的容積;
輸入物品種數n;
按體積從大到小順序,輸入各物品的體積;
預置已用箱子鏈為空;
預置已用箱子計數器box_count為0;
for (i=0;i<n;i++)
{ 從已用的第一隻箱子開始順序尋找能放入物品i 的箱子j;
if (已用箱子都不能再放物品i)
{ 另用一個箱子,並將物品i放入該箱子;
box_count++;
}
else
將物品i放入箱子j;
}
}
上述算法能求出需要的箱子數box_count,並能求出各箱子所裝物品。下面的例子說明該算法不一定能找到最優解,設有6種物品,它們的體積分別為:60、45、35、20、20和20服務機構體積,箱子的容積為100個服務機構體積。按上述算法計算,需三隻箱子,各箱子所裝物品分別為:第一隻箱子裝物品1、3;第二隻箱子裝物品2、4、5;第三隻箱子裝物品6。而最優解為兩隻箱子,分別裝物品1、4、5和2、3、6。
若每隻箱子所裝物品用鏈表來表示,鏈表首結點游標存於一個結構中,結構記錄尚剩餘的空間量和該箱子所裝物品鏈表的首游標。另將全部箱子的訊息也構成鏈表。以下是按以上算法編寫的程序。
【程序】
# include <stdio.h>
# include <stdlib.h>
typedef struct ele
{ int vno;
struct ele *link;
} ELE;
typedef struct hnode
{ int remainder;
ELE *head;
Struct hnode *next;
} HNODE;

void main()
{ int n, i, box_count, box_volume, *a;
HNODE *box_h, *box_t, *j;
ELE *p, *q;
Printf(「輸入箱子容積\n」);
Scanf(「%d」,&box_volume);
Printf(「輸入物品種數\n」);
Scanf(「%d」,&n);
A=(int *)malloc(sizeof(int)*n);
Printf(「請按體積從大到小順序輸入各物品的體積:」);
For (i=0;i<n;i++) scanf(「%d」,a+i);
Box_h=box_t=NULL;
Box_count=0;
For (i=0;i<n;i++)
{ p=(ELE *)malloc(sizeof(ELE));
p->vno=i;
for (j=box_h;j!=NULL;j=j->next)
if (j->remainder>=a) break;
if (j==NULL)
{ j=(HNODE *)malloc(sizeof(HNODE));
j->remainder=box_volume-a;
j->head=NULL;
if (box_h==NULL) box_h=box_t=j;
else box_t=boix_t->next=j;
j->next=NULL;
box_count++;
}
else j->remainder-=a;
for (q=j->next;q!=NULL&&q->link!=NULL;q=q->link);
if (q==NULL)
{ p->link=j->head;
j->head=p;
}
else
{ p->link=NULL;
q->link=p;
}
}
printf(「共使用了%d只箱子」,box_count);
printf(「各箱子裝物品情況如下:」);
for (j=box_h,i=1;j!=NULL;j=j->next,i++)
{ printf(「第%2d只箱子,還剩餘容積%4d,所裝物品有;\n」,I,j->remainder);
for (p=j->head;p!=NULL;p=p->link)
printf(「%4d」,p->vno+1);
printf(「\n」);
}
}
【問題】 馬的遍歷
問題描述:在8×8方格的棋碟上,從任意指定的方格出發,為馬尋找一條走遍棋盤每一格並且只經過一次的一條路徑。
馬在某個方格,可以在一步內到達的不同位置最多有8個,如圖所顯示。如用二維陣列board[ ][ ]表示棋盤,其元素記錄馬經過該位置時的步驟號。另對馬的8種可能走法(稱為著法)設定一個順序,如當前位置在棋盤的(i,j)方格,下一個可能的位置依次為(i+2,j+1)、(i+1,j+2)、(i-1,j+2)、(i-2,j+1)、(i-2,j-1)、(i-1,j-2)、(i+1,j-2)、(i+2,j-1),實際可以走的位置盡限於還未走過的和不越出邊界的那些位置。為便於程序的同意處理,可以引入兩個陣列,分別儲存於各種可能走法對當前位置的縱橫增量。
4 3
5 2

6 1
7 0

對於本題,一般可以採用回溯法,這裡採用Warnsdoff原則求解,這也是一種貪婪法,其選項下一出口的貪婪標準是在那些允許走的位置中,選項出口最少的那個位置。如馬的當前位置(i,j)只有三個出口,他們是位置(i+2,j+1)、(i-2,j+1)和(i-1,j-2),如分別走到這些位置,這三個位置又分別會有不同的出口,假定這三個位置的出口個數分別為4、2、3,則程序就選項讓馬走向(i-2,j+1)位置。
由於程序採用的是一種貪婪法,整個找解程序是一直向前,沒有回溯,所以能非常快地找到解。但是,對於某些開始位置,實際上有解,而該算法不能找到解。對於找不到解的情況,程序只要改變8種可能出口的選項順序,就能找到解。改變出口選項順序,就是改變有相同出口時的選項標準。以下程序考慮到這種情況,引入變數start,用於控制8種可能著法的選項順序。開始時為0,當不能找到解時,就讓start增1,重新找解。細節以下程序。
【程序】
# include <stdio.h>
int delta_i[ ]={2,1,-1,-2,-2,-1,1,2};
int delta_j[ ]={1,2,2,1,-1,-2,-2,-1};
int board[8][8];
int exitn(int i,int j,int s,int a[ ])
{ int i1,j1,k,count;
for (count=k=0;k<8;k++)
{ i1=i+delta_i[(s+k)%8];
j1=i+delta_j[(s+k)%8];
if (i1>=0&&i1<8&&j1>=0&&j1<8&&board[I1][j1]==0)
a[count++]=(s+k)%8;
}
return count;
}

int next(int i,int j,int s)
{ int m,k,mm,min,a[8],b[8],temp;
m=exitn(i,j,s,a);
if (m==0) return –1;
for (min=9,k=0;k<m;k++)
{ temp=exitn(I+delta_i[a[k]],j+delta_j[a[k]],s,b);
if (temp<min)
{ min=temp;
kk=a[k];
}
}
return kk;
}

void main()
{ int sx,sy,i,j,step,no,start;
for (sx=0;sx<8;sx++)
for (sy=0;sy<8;sy++)
{ start=0;
do {
for (i=0;i<8;i++)
for (j=0;j<8;j++)
board[j]=0;
board[sx][sy]=1;
I=sx; j=sy;
For (step=2;step<64;step++)
{ if ((no=next(i,j,start))==-1) break;
I+=delta_i[no];
j+=delta_j[no];
board[j]=step;
}
if (step>64) break;
start++;
} while(step<=64)
for (i=0;i<8;i++)
{ for (j=0;j<8;j++)
printf(「%4d」,board[j]);
printf(「\n\n」);
}
scanf(「%*c」);
}
}
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