【贪心算法】剪绳子

1. 贪心算法定义[1]

贪心算法(又称贪婪算法)是指,在对问题求解时,总是做出在当前看来是最好的选择。也就是说,不从整体最优上加以考虑,算法得到的是在某种意义上的局部最优解 。

2. 算法思路[2]

贪心算法是一种对某些求最优解问题的更简单、更迅速的设计技术。贪心算法的特点是一步一步地进行,常以当前情况为基础根据某个优化测度作最优选择,而不考虑各种可能的整体情况,省去了为找最优解要穷尽所有可能而必须耗费的大量时间。贪心算法采用自顶向下,以迭代的方法做出相继的贪心选择,每做一次贪心选择,就将所求问题简化为一个规模更小的子问题,通过每一步贪心选择,可得到问题的一个最优解。虽然每一步上都要保证能获得局部最优解,但由此产生的全局解有时不一定是最优的,所以贪心算法不要回溯 。

3. 算法特性[3]

贪心算法可解决的问题通常大部分都有如下的特性:
1、有一个以最优方式来解决的问题。为了构造问题的解决方案,有一个候选的对象的集合:比如不同面值的硬币。
2、随着算法的进行,将积累起其他两个集合:一个包含已经被考虑过并被选出的候选对象,另一个包含已经被考虑过但被丢弃的候选对象。
3、有一个函数来检查一个候选对象的集合是否提供了问题的解答。该函数不考虑此时的解决方法是否最优。
4、还有一个函数检查是否一个候选对象的集合是可行的,即是否可能往该集合上添加更多的候选对象以获得一个解。和上一个函数一样,此时不考虑解决方法的最优性。
5、选择函数可以指出哪一个剩余的候选对象最有希望构成问题的解。
6、最后,目标函数给出解的值。

4. 使用条件[4]

利用贪心法求解的问题应具备如下2个特征。
1、贪心选择性质
一个问题的整体最优解可通过一系列局部的最优解的选择达到,并且每次的选择可以依赖以前作出的选择,但不依赖于后面要作出的选择。这就是贪心选择性质。对于一个具体问题,要确定它是否具有贪心选择性质,必须证明每一步所作的贪心选择最终导致问题的整体最优解。
2、最优子结构性质
当一个问题的最优解包含其子问题的最优解时,称此问题具有最优子结构性质。问题的最优子结构性质是该问题可用贪心法求解的关键所在。在实际应用中,至于什么问题具有什么样的贪心选择性质是不确定的,需要具体问题具体分析。

5. 解题策略 [5]

贪心算法不从整体最优上加以考虑,所做出的仅是在某种意义上的局部最优选择。使用贪心策略要注意局部最优与全局最优的关系,选择当前的局部最优并不一定能推导出问题的全局最优。贪心策略解题需要解决以下两个问题:
1、该问题是否适合使用贪心策略求解,也就是该问题是否具有贪心选择性质;
2、制定贪心策略,以达到问题的最优解或较优解 。
要确定一个问题是否适合用贪心算法求解,必须证明每一步所作的贪心选择最终导致问题的整体最优解。证明的大致过程为:首先考察问题的一个整体最优解,并证明可修改这个最优解,使其以贪心选择开始,做了贪心选择后,原问题简化为规模更小的类似子问题。然后用数学归纳法证明通过每一步做贪心选择,最终可得到问题的整体最优解。

6. 存在问题 [6]

贪心算法也存在如下问题:
1、不能保证解是最佳的。因为贪心算法总是从局部出发,并没从整体考虑 ;
2、贪心算法一般用来解决求最大或最小解;
3、贪心算法只能确定某些问题的可行性范围。

7. 应用实例

1. 问题描述
给你一根长度为n的绳子,请把绳子剪成整数长的m段(m、n都是整数,n>1并且m>1,m<=n),每段绳子的长度记为k[1],...,k[m]。请问k[1]x...xk[m]可能的最大乘积是多少?例如,当绳子的长度是8时,我们把它剪成长度分别为2、3、3的三段,此时得到的最大乘积是18。
2. 问题分析
我下面所说的子段:被绳子被剪成的每一段都称为子段。
不可再减子段:无论怎么剪,该子段的子段长度乘积都无法达到绳子本身的长度。

由题可知绳子的长度最小为2,当绳子的长度为2时,只有一种剪法(1和1)乘积为1,当绳子的长度为3时,也只有一种剪法(1和2)乘积为2,当绳子的长度为4时,有两种剪法(1和3、2和2)且最大乘积为4,当绳子的长度为5时,有两种剪法(1和4、2和3)且最大乘积为6...
由此递推可以看出当绳子的长度为2或3时,无论怎么剪,子段的乘积都无法达到绳子本身的长度,而当绳子的长度不断增加,总有一种剪法可以使子段长度乘积等于或超过本身长度,所以2和3为不可再剪子段,其中3为最大不可再剪子段。用贪婪算法解此题的思路就是“尽可能的把绳子剪为最大不可再剪子段的长度,并且满足所有子段长度都为不可再剪子段”。简单来说,就是只能把绳子剪成2或者3的小段,并且3越多越好。
3. 代码实现

#include <iostream>
#include <iostream>
#include <cmath>

using namespace std;

int maxProductOfCuttingRope(int length) {
    if(length < 2)//不满足n>1
        return 0;
    if(length == 2)//长度为2时,结果为1
        return 1;
    if(length == 3)//长度为3时,结果为2
        return 2;

    //计算最多能剪出多少个长度为3的子段,个数记为divideBy3
    int divideBy3 = length / 3;

    //剪完之后最后剩下的绳子长度有0,1,2三种情况
    if(length - divideBy3 * 3 == 1)//如果剪完3最后只剩一个1
        divideBy3 -= 1;//就要留下一个3凑成四,然后可以剪成两个2

    //那么现在剩下长度就0,2,4三种情况
    int divideBy2 = (length - divideBy3 * 3) / 2; //计算一下能剪出几个长度为2的子段,个数记为divideBy2

    //最后得出的最优解最优解即为 3的divideBy3次幂乘2的divideBy2次幂
    return (int) (pow(3, divideBy3)) * (int) (pow(2, divideBy2));
}

int main(){
    cout<<maxProductOfCuttingRope(8)<<endl;
    return 0;
}

感谢阅读,如有问题欢迎指正!


[1][2][3][4][5][6] 引用自百度百科

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