• 贪心算法在背包中的应用(转)


    实现这个算法是学习算法分析与设计这门课程的需要。
        贪心算法是所接触到的第一类算法。算法从局部的最优出发,简单而快捷。对于一个问题的最
    优解只能用穷举法得到时,用贪心法是寻找问题次优解的较好算法。
        贪心法是一种改进了的分级处理方法。用贪心法设计算法的特点是一步一步地进行,根据某个
    优化测度(可能是目标函数,也可能不是目标函数),每一步上都要保证能获得局部最优解。每一
    步只考虑一个数据,它的选取应满足局部优化条件。若下一个数据与部分最优解连在一起不再是可
    行解时,就不把该数据添加到部分解中,直到把所有数据枚举完,或者不能再添加为止。这种能够
    得到某种度量意义下的最优解的分级处理方法称为贪心法。
        选择能产生问题最优解的最优度量标准是使用贪心法的核心问题。
        假定有n个物体和一个背包,物体i 有质量wi,价值为pi,而背包的载荷能力为M。若将物体i的
    一部分xi(1<=i<=n,0<=xi<=1)装入背包中,则有价值pi*xi。在约束条件
    (w1*x1+w2*x2+…………+wn*xn)<=M下使目标(p1*x1+p2*x2+……+pn*xn)达到极大,此处
    0<=xi<=1,pi>0,1<=i<=n.这个问题称为背包问题(Knapsack problem)。
        要想得到最优解,就要在效益增长和背包容量消耗两者之间寻找平衡。也就是说,总应该把那
    些单位效益最高的物体先放入背包。
        在实现算法的程序中,实现算法的核心程序倒没碰到很大的问题,然而实现寻找最优度量标准
    程序时麻烦不断!
        在寻找最优度量标准时,大致方向是用冒泡排序算法。也就是根据p[i]/w[i]的大小来对w[i]来
    排序。
        在直接用此算法时,可以有如下的一段代码:
        //根据效益tempArray[i]对重量w[i]排序,为进入贪心算法作准备
    1   void sort(float tempArray[], flaot w[], int n)
    2   {
    3       int i = 0, j = 0;
    4       int index = 0;
    5    
    6       //用类似冒泡排序算法,根据效益p[i]/w[i]对w[i]排序
    7       for (i = 0; i < n; i++)
    8    {
    9           float swapMemory = 0;
    10          float temp;
    11
    12          temp = tempArray[i];
    13          index = i;
    14
    15          for (j = i + 1; j < n; j++)
    16          {           
    17              if (temp < tempArray[j])
    18        {
    19                  temp = tempArray[j];
    20                  index = j;
    21        }
    22       }
    23   
    24          //对w[i]排序
    25          swapMemory = w[index];
    26          w[index] = w[i];
    27          w[i] = swapMemory;
    28      }
    29
    30      return;
    31  }
        然而仔细对算法分析后可以发现,“拿来主义”在这里用不上了!
        对算法的测试用例是p[3] = {25, 24, 15};w[3] = {18, 15, 10}。得到的结果如下:
        please input the total count of object: 3
        Please input array of p :
        25 24 15
        Now please input array of w :
        18 15 10

        sortResult[i] is :
        1   -107374176.000000   1   1.600000   2    1.600000

        after arithmetic data: x[i]
        0.000000        0.333333        0.000000  

        可以看到其效益为x[3] = {1.4, 1.6, 1.5},于是在M = 20的情况下,其预想中的输出结果是
    0,1,0.5。然而事实上是不是就这样呢?
        当程序进入此函数经过必要的变量初始化后,进入了外围循环,也就是程序的第7行。第一轮循
    环中,temp = tempArray[0] = 1.4,index = i = 0;程序运行到第15行,也就是进入了内层循环。
    内层循环的主要任务是从第i + 1个元素之后找到一个最大的效益并保存此时的下标。到了第24行后
    ,就开始对w[i]进行排序。
        问题就在这里了!排序后的w[i] = {1.6, 1.6, 1.5},因此对w[i]排序后就既改变了w[i]的原
    有顺序,还改变了w[i]的原来值!

        据此,做出一些修改,得到了如下的一段代码:
    1   void sort(float tempArray[], int sortResult[], int n)
    2   {
    3       int i = 0, j = 0;
    4       int index = 0, k = 0;
    5
    6       for (i = 0; i < n; i++)//对映射数组赋初值0
    7    {
    8           sortResult[i] = 0;
    9    }
    10
    11      for (i = 0; i < n; i++)
    12      {
    13          float swapMemory = 0;
    14          float temp;
    15
    16          temp = tempArray[i];
    17          index = i;
    18
    19          for (j = i; j < n; j++)
    20          {           
    21              if ((temp < tempArray[j]) && (sortResult[j] == 0))
    22        {
    23                  temp = tempArray[j];
    24                  index = j;
    25        }
    26       }
    27
    28          if (sortResult[index] == 0)
    29       {
    30              sortResult[index] = ++k;
    31       }
    32      }
    33
    34      for (i = 0; i < n; i++)
    35      {
    36          if (sortResult[i] == 0)
    37       {
    38              sortResult[i] = ++k;
    39       }
    40      }
    41
    42      return;
    43  }
        修改后最大的一个改变是没有继续沿用直接对w[i]排序,而是用w[i]的一个映射数组
    sortResult[i]。sortResult[i]中元素值存放的是根据效益计算得w[i]的大小顺序!这样w[i]原有
    的值和位置都没有改变,从而使算法得以实现!
        至于有没有更好的实现版本,还在探索中!

    #include <stdio.h>
    #define MAXSIZE 100  //假设物体总数
    #define M 20      //背包的载荷能力

    //算法核心,贪心算法
    void GREEDY(float w[], float x[], int sortResult[], int n)
    {
        float cu = M;
        int i = 0;
        int temp = 0;

        for (i = 0; i < n; i++)//准备输出结果
        {
            x[i] = 0;
        }

        for (i = 0; i < n; i++)
        {
            temp = sortResult[i];//得到取物体的顺序
            if (w[temp] > cu)   
            {
                break;
            }

            x[temp] = 1;//若合适则取出
            cu -= w[temp];//将容量相应的改变
        }

        if (i <= n)//使背包充满
        {
            x[temp] = cu / w[temp];
        }

        return;
    }

    void sort(float tempArray[], int sortResult[], int n)
    {
        int i = 0, j = 0;
        int index = 0, k = 0;

        for (i = 0; i < n; i++)//对映射数组赋初值0
        {
            sortResult[i] = 0;
        }

        for (i = 0; i < n; i++)
        {
            float temp = tempArray[i];

            index = i;

            //找到最大的效益并保存此时的下标
            for (j = 0; j < n; j++)
            {           
                if ((temp < tempArray[j]) && (sortResult[j] == 0))
                {
                    temp = tempArray[j];
                    index = j;
                }
            }

            //对w[i]作标记排序
            if (sortResult[index] == 0)
            {
                sortResult[index] = ++k;
            }
        }

        //修改效益最低的sortResult[i]标记
        for (i = 0; i < n; i++)
        {
            if (sortResult[i] == 0)
            {
                sortResult[i] = ++k;
            }
        }

        return;
    }

    //得到本算法的所有输入信息
    void getData(float p[], float w[], int *n)
    {
        int i = 0;

        printf("please input the total count of object: ");
        scanf("%d", n);

        printf("Please input array of p :\n");
        for (i = 0; i < (*n); i++)
        {
            scanf("%f", &p[i]);
        }

        printf("Now please input array of w :\n");
        for (i = 0; i < (*n); i++)
        {
            scanf("%f", &w[i]);
        }

        return;
    }

    void output(float x[], int n)
    {
        int i;

        printf("\n\nafter arithmetic data: advise method\n");
        for (i = 0; i < n; i++)
        {
            printf("x[%d]\t", i);
        }

        printf("\n");
        for (i = 0; i < n; i++)
        {
            printf("%2.3f\t", x[i]);
        }

        return;
    }

    void main()
    {
        float p[MAXSIZE], w[MAXSIZE], x[MAXSIZE];
        int i = 0, n = 0;
        int sortResult[MAXSIZE];

        getData(p, w, &n);

        for (i = 0; i < n; i++)
        {
            x[i] = p[i] / w[i];
        }

        sort(x, sortResult, n);

        GREEDY(w, x, sortResult, n);

        output(x, n);

        getch();
    }
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