算法设计与分析
实验名称：用蛮力法、动态规划法和贪心法求
0/1背包问题
作者姓名：xxx
xxx
xxx
完成日期：2013年9月22日星期日
组的编号：28
目录
第一章：简介 (1)
第二章：算法规范 (2)
数据结构 (2)
伪代码 (3)
第三章：算法测试 (4)
蛮力法 (4)
动态规划 (5)
贪心法 (5)
第四章：分析讨论 (6)
算法分析 (6)
时间复杂度分析 (16)
附录 (17)
声明 (17)
第一章：简介
问题的描述：
0/1背包问题是给定n 个重量为{w 1, w 2, … ,wn }、价值为{v 1, v 2, … ,vn }的物品和一个容量为C 的背包，求这些物品中的一个最有价值的子集，并且要能够装到背包中。
在0/1背包问题中，物品i 或者被装入背包，或者不被装入背包，设xi 表示物品i 装入背包的情况，则当xi =0时，表示物品i 没有被装入背包，xi =1时，表示物品i 被装入背包。根据问题的要求，有如下约束条件和目标函数：
于是，问题归结为寻找一个满足约束条件式1，并使目标函数式2达到最大的解向量X =(x 1, x 2, …, xn )。
背包的数据结构的设计： typedef struct object {
int n;//物品的编号 int w;//物品的重量
∑=n
i i
i x v 1
max （式2）
?????
≤≤∈≤∑=)
1(}1,0{1
n i x C x w i n i i i （式1）
int v;//物品的价值
}wup;
wup wp[N];//物品的数组，N为物品的个数
int c;//背包的总重量
第二章:算法规范
数据结构：
0/1背包问题是给定n个重量为{w1, w2, … ,wn}、价值为{v1, v2, … ,vn}的物品和一个容量为C的背包，求这些物品中的一个最有价值的子集，并且要能够装到背包中，在0/1背包问题中，物品i 或者被装入背包，或者不被装入背包，设xi表示物品i装入背包的
情况，则当xi=0时，表示物品i没有被装入背包，xi=1时，表示物品i被装入背包。
所以，我们用了数组，函数作为主要的数据结构。用蛮力法、动态规划法和贪心法求解0-1背包问题的算法设计对比与分析。
伪代码如下所示
一、蛮力法
1,
1.1，定义物品结构
1.2 input 物品编号，重量，价值
2，蛮力法产生子集
3，判断子集的可行性
4从可行解中找出最优解
5输出最优解
二、动态规划法
1.1 定义物品结构wup
1.2定义物品输入函数i nputwp
1.3定义物品输出函数outputwp
2，定义函数findmaxvalue
3，输入物品
4，调用findmaxvalue
5，输出结果
三、贪心法
1.1 定义物品结构wup
1.2 输入物品
2，对v/w排序
3，输出物品
4，选择物品
5，计算物品总价值
6，输出物品总价值和最优解
第三章：测试结果1.蛮力法
2.动态规划法
3.贪心法
这个结果没有运行出来，请老师原谅，谢谢。
第四章：分析和讨论
（一）算法思想分析：
1．蛮力法：
蛮力法是一种简单直接的解决问题的方法，常常直接基于问题的描述和所涉及的概念定义。蛮力法的关键是依次处理所有的元素。
用蛮力法解决0/1背包问题，需要考虑给定n个物品集合的所有子集，找出所有可能的子集（总重量不超过背包容量的子集），计算每个子集的总价值，然后在他们中找到价值最大的子集。
所以蛮力法解0/1背包问题的关键是如何求n个物品集合的所有
子集，n个物品的子集有2的n次方个，用一个2的n次方行n列的数组保存生成的子集，以下是生成子集的算法：
void force(int a[][4])//蛮力法产生4个物品的子集
{
int i,j;
int n=16;
int m,t;
for(i=0;i<16;i++)
{ t=i;
for(j=3;j>=0;j--)
{
m=t%2;
a[i][j]=m;
t=t/2;
}
}
for(i=0;i<16;i++)//输出保存子集的二维数组
{
for(j=0;j<4;j++)
{
printf("%d ",a[i][j]);
}
printf("\n");
}
｝
以下要依次判断每个子集的可行性，找出可行解:
void panduan(int a[][4],int cw[])////判断每个子集的可行性，如果可行则计算其价值存入数组cw,不可行则存入0
{
int i,j;
int n=16;
int sw,sv;
for(i=0;i<16;i++)
{
sw=0;
sv=0;
for(j=0;j<4;j++)
{
sw=sw+wp[j].w*a[i][j];
sv=sv+wp[j].v*a[i][j];
}
if(sw<=c)
cw[i]=sv;
else
cw[i]=0;
}
在可行解中找出最优解，即找出可行解中满足目标函数的最优解。以下是找出最优解的算法：
int findmax(int x[16][4],int cv[])//可行解保存在数组cv中，最优解就是x数组中某行的元素值相加得到的最大值
{
int max;
int i,j;
max=0;
for(i=0;i<16;i++)
{
if(cv[i]>max)
{max=cv[i];
j=i;
}
}
printf("\n最好的组合方案是：");
for(i=0;i<4;i++)
{
printf("%d ",x[j][i]);
}
return max;
}
2．动态规划法：
动态规划法将待求解问题分解成若干个相互重叠的子问题，每个子问题对应决策过程的一个阶段，一般来说，子问题的重叠关系表现在对给定问题求解的递推关系（也就是动态规划函数）中，将子问题的解求解一次并填入表中，当需要再次求解此子问题时，可以通过查表获得该子问题的解而不用再次求解，从而避免了大量重复计算。
动态规划法设计算法一般分成三个阶段：
（1）分段：将原问题分解为若干个相互重叠的子问题；
（2）分析：分析问题是否满足最优性原理，找出动态规划函数的递推式；
（3）求解：利用递推式自底向上计算，实现动态规划过程。
0/1背包问题可以看作是决策一个序列(x1, x2, …, xn)，对任一变量xi的决策是决定xi=1还是xi=0。在对xi-1决策后，已确定了(x1, …, xi-1)，在决策xi时，问题处于下列两种状态之一：
（1）背包容量不足以装入物品i，则xi=0，背包不增加价值；
（2）背包容量可以装入物品i，则xi=1，背包的价值增加了vi。
这两种情况下背包价值的最大者应该是对xi 决策后的背包价值。令V(i, j)表示在前i(1≤i ≤n)个物品中能够装入容量为j （1≤j ≤C ）的背包中的物品的最大值，则可以得到如下动态规划函数：
V(i, 0)= V(0, j)=0
（式3）
(式4)
式3表明：把前面i 个物品装入容量为0的背包和把0个物品装入容量为j 的背包，得到的价值均为0。式4的第一个式子表明：如果第i 个物品的重量大于背包的容量，则装入前i 个物品得到的最大价值和装入前i-1个物品得到的最大价值是相同的，即物品i 不能装入背包；第二个式子表明：如果第i 个物品的重量小于背包的容量，则会有以下两种情况：（1）如果把第i 个物品装入背包，则背包中物品的价值等于把前i-1个物品装入容量为j-wi 的背包中的价值加上第i 个物品的价值vi ；（2）如果第i 个物品没有装入背包，则背包中物品的价值就等于把前i-1个物品装入容量为j 的背包中所取得的价值。显然，取二者中价值较大者作为把前i 个物品装入容量为j 的背包中的最优解。
以下是动态规划法求解背包问题的算法：
int findmaxvalue(wup *p,int x[])//x 数组用来存放可行解，p 是指向
??
?>+---<-=i
i i i w j v w j i V j i V w j j i V j i V }),1(),,1(max{)
,1(),(
存放物品数组的指针
{
int i,j;
int maxvalue;
int value[N+1][C+1];
for(j=0;j<=C;j++)
value[0][j]=0; //初始化第0行
for(i=0;i<=N;i++)
value[i][0]=0;//初始化第0列
//计算数组value中各元素的值
for(i=1;i<=N;i++,p++)
for(j=1;j<=C;j++)
{
if(p->w >j)
{
value[i][j]=value[i-1][j];
}
else
{
value[i][j]=max(value[i-1][j],(value[i-1][j-p->w]+p->v));//max函数
求两个数当中的大者
}
}
//逆推求解
j=C;
for(i=N;i>0;i--)
{
if(value[i][j]>value[i-1][j])
{
x[i-1]=1;//是否被选中的向量的下标也是从0开始
j=j-wp[i-1].w;//存放物品的下标从0开始
}
else
x[i-1]=0;
}
maxvalue=value[N][C];//最大值
return maxvalue;
}
3．贪心法：贪心法在解决问题的策略上目光短浅，只根据当前已有的信息就做出选择，而且一旦做出了选择，不管将来有什么
结果，这个选择都不会改变。换言之，贪心法并不是从整体最优考虑，它所做出的选择只是在某种意义上的局部最优。
这种局部最优选择并不总能获得整体最优解（Optimal Solution），但通常能获得近似最优解（Near-Optimal Solution）。
贪心法求解的问题的特征：
（1）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，也称此问题满足最优性原理。
（2）贪心选择性质
所谓贪心选择性质是指问题的整体最优解可以通过一系列局部最优的选择，即贪心选择来得到。
用贪心法求解问题应该考虑如下几个方面：
（1）候选集合C：为了构造问题的解决方案，有一个候选集合C 作为问题的可能解，即问题的最终解均取自于候选集合C。例如，在付款问题中，各种面值的货币构成候选集合。
（2）解集合S：随着贪心选择的进行，解集合S不断扩展，直到构成一个满足问题的完整解。例如，在付款问题中，已付出的货币构成解集合。
（3）解决函数solution：检查解集合S是否构成问题的完整解。例如，在付款问题中，解决函数是已付出的货币金额恰好等于应付款。
（4）选择函数select：即贪心策略，这是贪心法的关键，它指出哪个候选对象最有希望构成问题的解，选择函数通常和目标函数有
关。例如，在付款问题中，贪心策略就是在候选集合中选择面值最大的货币。
（5）可行函数feasible：检查解集合中加入一个候选对象是否可行，即解集合扩展后是否满足约束条件。例如，在付款问题中，可行函数是每一步选择的货币和已付出的货币相加不超过应付款。
背包问题至少有三种看似合理的贪心策略：
（1）选择价值最大的物品，因为这可以尽可能快地增加背包的总价值。但是，虽然每一步选择获得了背包价值的极大增长，但背包容量却可能消耗得太快，使得装入背包的物品个数减少，从而不能保证目标函数达到最大。
（2）选择重量最轻的物品，因为这可以装入尽可能多的物品，从而增加背包的总价值。但是，虽然每一步选择使背包的容量消耗得慢了，但背包的价值却没能保证迅速增长，从而不能保证目标函数达到最大。
（3）选择单位重量价值最大的物品，在背包价值增长和背包容量消耗两者之间寻找平衡。
应用第三种贪心策略，每次从物品集合中选择单位重量价值最大的物品，如果其重量小于背包容量，就可以把它装入，并将背包容量减去该物品的重量，然后我们就面临了一个最优子问题——它同样是背包问题，只不过背包容量减少了，物品集合减少了。因此背包问题具有最优子结构性质。
先按单位重量价值最大对物品进行排序。
然后再用贪心策略选择的算法如下：
float find(float p[N],float w[N],float x[N] ,float M,int n) /*先放单位价值量大的物体，再考虑小的物体*/
{
int i;
float maxprice;
for (i = 0; i < n; i++)
x[i] = 0;
i = 0;
maxprice=0;
while (i < n && w[i] < M)
{
M=M-w[i];
x[i] =w[i]; /* 表示放入数量*/
maxprice=maxprice+p[i];
x[n-1]=M;
i++;
}
if (i < n &&M> 0)
{
maxprice=maxprice+p[i]*x[i]/w[i];
i++;
}
return maxprice; }T(n)=O(n 2)
（二）0/1背包问题的时间复杂度分析
附录：源代码（基于c 语言）
#include
#define c 10//总重量 typedef struct object { int n;//物品的编号 int w;//物品的重量
int v;//物品的价值
}wup;
wup wp[N];//物品的数组，N 为物品的个数 //int c;//背包的总重量
void force(int a[][4])//蛮力法产生个物品的子集 {
int i,j;
方法类型
时间复杂
蛮力法 )2()(n O n T =
动态规划法
)()(C n O n T ?=
贪心法
T(n)=O(n 2)
int n=16;//16行int a[16][4];
int m,t;
for(i=0;i<16;i++)
{
t=i;
for(j=3;j>=0;j--)
{
m=t%2;
a[i][j]=m;
t=t/2;
}
}
for(i=0;i<16;i++)//输出保存子集的二维数组
{
for(j=0;j<4;j++)
{
printf("%d ",a[i][j]);
}
printf("\n");
}
}
int findmax(int x[][4],int cv[])//可行解保存在数组cv中，最优解就是x数组中某行的元素值相加得到的最大值
{
int max;
int i,j;
max=0;
for(i=0;i<16;i++)
{
if(cv[i]>max)
{
max=cv[i];
j=i;
}
}
printf("\n最好的组合方案是：");
for(i=0;i<4;i++)
{
printf("%d ",x[j][i]);
}
printf("\n");
return max;
实验三、0-1背包问题（贪心算法） 实验代码： #include printf("物品总数为：7\n"); printf("物品重量和价值分别为：\n"); printf("\n重量价值\n"); for (i=1;i<=n;i++) printf("%d %d \n",w[i],v[i]); int m=15; int array[8][100]={0}; Knapsack(v,w,x,m,7,array); printf("背包能装的最大价值为: %d\n",array[1][m]); printf("贪心算法的解为: "); for(i=1;i<=n;i++) { if(i==1) printf("%d",x[i]); else printf(" %d",x[i]); } printf("\n"); return 0; } 测试截图为： 分治法 1 分割成独立的子问题 2 递归解决子问题 3 合并求得初始问题的解 动态规划算法 1.描述最优解的结构特征 2.定义最优解决方案的递归形式 3.以自底向上的方式计算最优解决方案的值 4.从计算信息构造出最优解决方案 贪婪算法步骤 1.确定问题的优化结构 2.得到递归解 3.证明某个最优选择是贪婪选择 4.贪婪选择将产生唯一一个非空子问题 5.用递归算法实现贪婪策略 6.将递归算法转换为迭代算法 贪婪算法设计 1. 通过作出某种贪婪选择，将初始优化问题转换为唯一的一个子问题来求解 2. GREEDY CHOICE（证明贪婪选择） 作出该贪婪选择后，可以保证初始优化问题存在最优解3.OPTIMAL SUBSTRUCTURE（证明优化基础） 贪婪选择+唯一子问题=最优解 贪婪算法正确性 1. 贪婪选择特性（局部最优导致全局最优） 2. 优化基础的特性（贪婪选择+唯一子问题的最优解?初始问题的最优解） 作业选择 ?贪婪选择特性 存在最优解包含贪婪选择，即Sij在选择最先完成的作业am ?优化基础 If an optimal solution to subproblem Sij includes activity ak ? it must contain optimal solutions to Sik and Skj Solution to Sij=(Solution to Sik)∪{ak}∪(Solution to Skj)动态规划解） Similarly, am + optimal solution to Smj ? optimal sol. Solution to Sij = {am} ∪(Solution to Smj) （贪婪选择解） 动态规划与贪婪算法比较 ?Dynamic programming –每步选择–选择与子问题解相关 –自底向上，即从规模下的子问题逐步求解规模大的子问题?Greedy algorithm –首先作出贪婪选择–求解贪婪选择后产生的唯一子问题–后续贪婪选择与前面的选择有关，但与子问题的解无关 –自顶向下，问题规模逐步缩小 动态规划和分治法 ?子问题非独立 –子问题求解依赖其子问题的解 –分治法通过递归方式解决性质相同的子问题 –动态规划每次解决一个子问题，并将结果存储在表格中4 ?适合优化问题 –通过适当的选择来获得问题的最优解 –找到具有最优解决方案及其最优值：装配线排程方案以及该方案的生产时间 –导致最优的解决方案可能不止一个 ? （允许负权值边） –如果从源顶点s没有可抵达的负权值回路，返回‘真’）（其余的返回‘假’，无解 –遍历所有的边|V–1|次，每次对每条边执行一次缩短运算–对图进行拓扑排序)(依据拓扑排序对边进行缩短操作 于每一个顶点, 对始于该顶点的每条边进行缩短操作) (DGA中没有负权值回路, 因此存在最短路径) – (不存在负权值边界) – (S: 集合中顶点的最短路径已经确定) (Q: V – S, 极小优先队列) ? (d[v]) (Q中的值是最短路径的估计) ?重复的从Q中选择具有最短估计距离的顶点进行处理 The Ford-Fulkerson Method(不断的增大流, 直到达到流的极大值)(通过剩余流和剩余流图实现) 增量算法（An Incremental Algorithm） Alg.: GREEDY-ACTIVITY-SELECTOR(s, f, n) 1. A ← {a1} 2. i ← 1 3. for m ← 2 to n 4. do if sm ≥ fi ? activity am is compatible with ai 5. then A ← A ∪ {am} 6. i ← m ? ai is most recent addition to A 7. return A 动态规划： 装配线排程 e1 + a1,1 if j = 1 f1[j] = min(f1[j - 1] + a1,j ,f2[j -1] + t2,j-1 + a1,j) if j ≥ 2 矩阵链相乘 m[i,j]=0 if i = j min{m[i,k]+m[k+1,j]+pi-1pkpj} if i < j Matrix-Chain-Order(p) 1. n ←length[p]-1; 2. for i ←1 to n 3. m[i, i] ←0; 4. for l ←2 to n 5. for i ←1 to n –l +1 6. j ←i + l -1; 7. m[i, j] ←∞; 8. for k ←i to j -1 9. q ←m[i, k] + m[k+1, j] + pI-1pkpj; 10. if q < m[i, j] 11. m[i, j] ←q; 12. s[i, j] ←k; 13. return m and s 最长共同子序列 LCS-Length(X,Y) 1. m ←length[X]; 2. n ←length[Y]; 3. for i ←1 to m 4. c[i, 0] ←0; 5. for j ←0 to n 6. c[0, j] ←0; 《算法分析与设计》 课程实验 专业年级：信息与计算科学 学生学号： 学生姓名： 实验题目：用贪婪法求解背包问题 指导老师： 实验时间：20xx年xx月x日 一、实验内容 用贪婪法求解背包问题 要求：用非递归实现 二、实验步骤 2.1、理解算法思想和问题要求； 2.2、写出每个操作的算法 非递归算法： greedbag() { int N; int c; int[] w; int[] v; Scanner scan=new Scanner(System.in); System.out.print("输入背包的容量:"); c=scan.nextInt(); System.out.print("输入物品的数量:"); N=scan.nextInt(); System.out.print("分别输入物品的价值:"); v=new int[N]; for(int i=0;i 动态规划算法原理及其应用研究 系别：x x x 姓名：x x x 指导教员： x x x 2012年5月20日 摘要：动态规划是解决最优化问题的基本方法，本文介绍了动态规划的基本思想和基本步骤，并通过几个实例的分析，研究了利用动态规划设计算法的具体途径。关键词：动态规划多阶段决策 1.引言 规划问题的最终目的就是确定各决策变量的取值，以使目标函数达到极大或极小。在线性规划和非线性规划中，决策变量都是以集合的形式被一次性处理的；然而，有时我们也会面对决策变量需分期、分批处理的多阶段决策问题。所谓多阶段决策问题是指这样一类活动过程：它可以分解为若干个互相联系的阶段，在每一阶段分别对应着一组可供选取的决策集合；即构成过程的每个阶段都需要进行一次决策的决策问题。将各个阶段的决策综合起来构成一个决策序列，称为一个策略。显然，由于各个阶段选取的决策不同，对应整个过程可以有一系列不同的策略。当过程采取某个具体策略时，相应可以得到一个确定的效果，采取不同的策略，就会得到不同的效果。多阶段的决策问题，就是要在所有可能采取的策略中选取一个最优的策略，以便得到最佳的效果。动态规划是一种求解多阶段决策问题的系统技术，可以说它横跨整个规划领域（线性规划和非线性规划）。在多阶段决策问题中，有些问题对阶段的划分具有明显的时序性，动态规划的“动态”二字也由此而得名。动态规划的主要创始人是美国数学家贝尔曼（Bellman）。20世纪40年代末50年代初，当时在兰德公司（Rand Corporation）从事研究工作的贝尔曼首先提出了动态规划的概念。1957年贝尔曼发表了数篇研究论文，并出版了他的第一部著作《动态规划》。该著作成为了当时唯一的进一步研究和应用动态规划的理论源泉。在贝尔曼及其助手们致力于发展和推广这一技术的同时，其他一些学者也对动态规划的发展做出了重大的贡献，其中最值得一提的是爱尔思（Aris）和梅特顿（Mitten）。爱尔思先后于1961年和1964年出版了两部关于动态规划的著作，并于1964年同尼母霍思尔（Nemhauser）、威尔德（Wild）一道创建了处理分枝、循环性多阶段决策系统的一般性理论。梅特顿提出了许多对动态规划后来发展有着重要意义的基础性观点，并且对明晰动态规划路径的数 贪心算法与动态规划的比较 【摘要】介绍了计算机算法设计的两种常用算法思想：贪心算法与动态规划算法。通过介绍两种算法思想的基本原理，比较两种算法的联系和区别。通过背包问题对比了两种算法的使用特点和使用范围。 【关键字】动态规划；贪心算法；背包问题 1、引言 为了满足人们对大数据量信息处理的渴望，为解决各种实际问题，计算机算法学得到了飞速的发展，线性规划、动态规划、贪心策略等一系列运筹学模型纷纷运用到计算机算法学中，产生了解决各种现实问题的有效算法。虽然设计一个好的求解算法更像是一门艺术而不像是技术，但仍然存在一些行之有效的、能够用于解决许多问题的算法设计方法，你可以使用这些方法来设计算法，并观察这些算法是如何工作的。一般情况下，为了获得较好的性能，必须对算法进行细致的调整。但是在某些情况下，算法经过调整之后性能仍无法达到要求，这时就必须寻求另外的方法来求解该问题。本文针对部分背包问题和0/ 1 背包问题进行分析，介绍贪心算法和动态规划算法的区别。 2、背包问题的提出 给定n种物品( 每种物品仅有一件) 和一个背包。物品i的重量是w i，其价值为p i，背包的容量为M。问应如何选择物品装入背包，使得装入背包中的物品的总价值最大,每件物品i的装入情况为x i，得到的效益是p i*x i。 ⑴部分背包问题。在选择物品时，可以将物品分割为部分装入背包，即0≤x i≤1 ( 贪心算法)。 ⑵0/ 1背包问题。和部分背包问题相似，但是在选择物品装入时要么不装，要么全装入，即x i = 1或0。( 动态规划算法) 。 3、贪心算法 3.1 贪心算法的基本要素 能够使用贪心算法的许多例子都是最优化问题，每个最优化问题都包含一组限制条件和一个优化函数，符合限制条件的问题求解方案称为可行解；使优化函数取得最佳值的可行解称为最优解。此类所求问题的整体最优解可以通过一系列局部最优的选择，即贪心选择来达到(这是贪心算法与动态规划的主要区别) 。 3.2贪心策略的定义 贪心策略是指从问题的初始状态出发，通过若干次的贪心选择而得出最优值( 或较优解) 的一种解题方法。贪心策略总是做出在当前看来是最优的选择，也就是说贪心策略并不是从整体上加以考虑，它所做出的选择只是在某种意义上的局部最优解，而许多问题自身的特性决定了该问题运用贪心策略可以得到最优解或较优解。(注：贪心算法不是对所有问题都能 贪心算法的应用 课程名称：算法设计与分析 院系：计算机科学与信息工程学院 学生姓名：**** 学号：********** 专业班级：********************************** 指导教师：****** 201312-27 贪心算法的应用 摘要：顾名思义，贪心算法总是作出在当前看来最好的选择。也就是说贪心算法并不从整体最优考虑，它所作出的选择只是在某种意义上的局部最优选择。当然，希望贪心算法得到的最终结果也是整体最优的。虽然贪心算法不能对所有问题都得到整体最优解，但对许多问题它能产生整体最优解。如单源最短路经问题，最小生成树问题等。在一些情况下，即使贪心算法不能得到整体最优解，其最终结果却是最优解的很好近似。贪心算法求问题一般具有两个重要性质：贪心选择性质和最优子结构性质。所谓贪心选择性是指所求问题的整体最优解可以通过一系列局部最优解的选择，即贪心选择达到。这是贪心算法可行的第一个基本要素，也是贪心算法与动态规划算法主要区别。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动态规划算法或贪心算法求解的关键特征。 背包问题是一个经典的问题，我们可以采用多种算法去求解0/1背包问题，比如动态规划法、分支限界法、贪心算法、回溯法。在这里我们采用贪心法解决这个问题。 关键词：贪心法背包问题最优化 目录 第1章绪论 (3) 1.1 贪心算法的背景知识 (3) 1.2 贪心算法的前景意义 (3) 第2章贪心算法的理论知识 (4) 2.1 问题的模式 (4) 2.2 贪心算法的一般性描述 (4) 第3章背包问题 (5) 3.1 问题描述 (5) 3.2 问题分析 (5) 3.3算法设计 (5) 3.4 测试结果与分析 (10) 第4章结论 (12) 参考文献 (13) 附件 (13) 动态规划是对最优化问题的一种新的算法设计方法。由于各种问题的性质不同，确定最优解的条件也互不相同，因而动态规划的没计法对不同的问题，有各具特色的表示方式。不存在一种万能的动态规划算法。但是可以通过对若干有代表性的问题的动态规划算法进行讨论，学会这一设计方法。 多阶段决策过程最优化问题 ——动态规划的基本模型 在现实生活中，有一类活动的过程，由于它的特殊性，可将过程分成若干个互相联系的阶段，在它的每一阶段都需要作出决策，从而使整个过程达到最好的活动效果。因此各个阶段决策的选取不能任意确定，它依赖于当前面临的状态，又影响以后的发展。当各个阶段决策确定后，就组成一个决策序列，因而也就确定了整个过程的一条活动路线。这种把一个问题看做是一个前后关联具有链状结构的多阶段过程就称为多阶段决策过程，这种问题称为多阶段决策最优化问题。 【例题1】最短路径问题。图中给出了一个地图，地图中每个顶点代表一个城市，两个城市间的连线代表道路，连线上的数值代表道路的长度。现在，想从城市A到达城市E，怎样走路程最短，最短路程的长度是多少? 【分析】把从A到E的全过程分成四个阶段，用k表示阶段变量，第1阶段有一个初始状态A，两条可供选择的支路ABl、AB2；第2阶段有两个初始状态B1、 B2，B1有三条可供选择的支路，B2有两条可供选择的支路……。用dk(x k，x k+1)表示在第k阶段由初始状态x k到下阶段的初始状态x k+1的路径距离，Fk(x k)表示从第k阶段的x k到终点E的最短距离，利用倒推方法求解A到E的最短距离。具体计算过程如下： S1：K=4，有：F4(D1)=3，F4(D2)=4，F4(D3)=3 S2: K=3，有： F3(C1)=min{d3(C1,D1)+F4(D1),d3(C1,D2)+F4(d2)}=min{8,10}=8 F3(C2)=d3(C2,D1)+f4(D1)=5+3=8 F3(C3)=d3(C3,D3)+f4(D3)=8+3=11 F3(C4)=d3(C4,D3)+f4(D3)=3+3=6 算法分析与设计实验报告 第 4 次实验 } 附录：完整代码 #include 背包问题贪心法 实验报告 学院：计算机科学与技术学院班级：**** 学号：**** 姓名：**** 一、实验目的 1）以背包问题为例，掌握贪心法的基本设计策略。 2）熟练掌握各种贪心策略情况下的背包问题的算法并实现；其中：量度标准分别取：效益增量P 、物品重量w 、P/w 比值； 3) 分析实验结果来验证理解贪心法中目标函数设计的重要性。 二、问题基本思想描述 (1)贪心法的基本思路 从问题的某一个初始解出发逐步逼近给定的目标，以尽可能快的地求得更好的解。当达到某算法中的某一步不能再继续前进时，算法停止。 该算法存在问题： 1. 不能保证求得的最后解是最佳的； 2. 不能用来求最大或最小解问题； 3. 只能求满足某些约束条件的可行解的范围。 （2）背包问题的描述 已知有n 种物品和一个可容纳M 重量的背包，每种物品i 的重量为i w 。假定将物品i 的一部分 i x 放入背包就会得到 i i x p 的效益，这里， 1 0≤≤i x , >i p 。 显然，由于背包容量是M ，因此，要求所有选中要装入背包的物品总重量不得超过M.。如果这n 件物品的总重量不超过M ，则把所有物品装入背包自然获得最大效益。现需解决的问题是，在这些物品重量的和大于M 的情况下，该如何装包，使得得到更大的效益值。由以上叙述，可将这个问题形式表述如下： 极 大 化目标函数 ∑≤≤n i i x p 1i 约束条件 M x w n i i ≤∑ ≤≤1i n i w p x i i i ≤≤>>≤≤1,0,0,10 （3）用贪心策略求解背包问题 首先需确定最优的量度标准。这里考虑三种策略： 动态规划算法和贪心算法的比较与分析 1、最优化原理 根据一类多阶段问题的特点,把多阶段决策问题变换为一系列互相联系的单阶段问题,然后逐个加以解决。解决这类问题的最优化原理:一个过程的最优决策具有这样的性质,即无论其初始状态和初始决策如何,其今后诸策略对以第一个决策所形成的状态作为初始状态的过程而言,必须构成最优策略。简而言之,一个最优策略的子策略,对于它的初态和终态而言也必是最优的。 2、动态规划 2.1 动态规划算法 动态规划是运筹学的一个分支，与其说它是一种算法，不如说它是一种思维方法更贴切。因为动态规划没有固定的框架，即便是应用到同一道题上，也可以建立多种形式的求解算法。许多隐式图上的算法，例如求单源最短路径的Dijkstra算法、广度优先搜索算法，都渗透着动态规划的思想。还有许多数学问题，表面上看起来与动态规划风马牛不相及，但是其求解思想与动态规划是完全一致的。因此，动态规划不像深度或广度优先那样可以提供一套模式，需要的时候，取来就可以使用。它必须对具体问题进行具体分析、处理，需要丰富的想象力去建立模型，需要创造性的思想去求解。 动态规划算法的基本思想是将待求解问题分解成若干子问题，先求解子问题，然后从这些子问题的解得到原问题的解。值得注意的是，用动态规划法求解的问题，经分解后得到的子问题往往不是互相独立的。 最优化原理是动态规划的基础。任何一个问题，如果失去了这个最优化原理的支持，就不可能用动态规划方法计算。能采用动态规划求解的问题都要满足两个条件:①问题中的状态必须满足最优化原理;②问题中的状态必须满足无后效性。 所谓无后效性是指下一时刻的状态只与当前状态有关，而和当前状态之前的状态无关，当前的状态是对以往决策的总结。 2.2 动态规划算法的基本要素 算法设计与分析实验报告 题目：贪心算法背包问题 专业：JA V A技术xx——xxx班 学号： 姓名： 指导老师： 实验三：贪心算法背包问题 一、实验目的与要求 1、掌握背包问题的算法 2、初步掌握贪心算法 二、实验题： 问题描述：与0-1背包问题相似，给定n种物品和一个背包。物品i的重量是wi，其价值为vi，背包的容量为c。与0-1背包问题不同的是，在选择物品i装入背包时，背包问题的解决可以选择物品i的一部分，而不一定要全部装入背包，1< i < n。 三、实验代码 import java.awt.*; import java.awt.event.*; import javax.swing.*; public class er extends JFrame { private static final long serialVersionUID = -1508220487443708466L; private static final int width = 360;// 面板的宽度 private static final int height = 300;// 面板的高度 public int M; public int[] w; public int[] p; public int length; er() { // 初始Frame参数设置 this.setTitle("贪心算法"); setDefaultCloseOperation(EXIT_ON_CLOSE); setSize(width, height); Container c = getContentPane(); c.setLayout(new BoxLayout(c, BoxLayout.Y_AXIS)); setLocation(350, 150); // 声明一些字体样式 Font topF1 = new Font("宋体", Font.BOLD, 28); Font black15 = new Font("宋体", Font.PLAIN, 20); Font bold10 = new Font("宋体", Font.BOLD, 15); // 声明工具栏及属性设置 JPanel barPanel = new JPanel(); JMenuBar topBar = new JMenuBar(); topBar.setLocation(1, 1); barPanel.add(topBar); // 面板1和顶部标签属性设置 JPanel p1 = new JPanel(); JLabel topLabel = new JLabel("背包问题"); 算法设计与分析期末论文 题目用贪心法求解“0-1背包问题”专业计算机科学与技术 班级09计算机一班 学号0936021 姓名黄帅 日期2011年12月28日 一、0-1背包问题的算法设计策略分析 1.引言 对于计算机科学来说，算法的概念是至关重要的，例如，在一个大型软件系统的开发中，设计出有效的算法将起决定性的作用。算法是解决问题的一种方法或一个过程。程序是算法用某种设计语言具体实现描。计算机的普及极大的改变了人们的生活。目前，各行业、各领域都广泛采用了计算机信息技术，并由此产生出开发各种应用软件的需求。为了以最小的成本、最快的速度、最好的质量开发出适合各种应用需求的软件，必须遵循软件工程的原则。设计一个高效的程序不仅需要编程小技巧，更需要合理的数据组织和清晰高效的素算法，这正是计算机科学领域数据结构与算法设计所研究的主要内容。 2. 算法复杂性分析的方法介绍 算法复杂性是算法运行所需要的计算机资源的量，需要时间资源的量称为时间复杂性，需要的空间资源的量称为空间复杂性。这个量应该只依赖于算法要解的问题的规模、算法的输入和算法本身的函数。如果分别用N 、I 和A 表示算法要解问题的规模、算法的输入和算法本身，而且用C 表示复杂性，那么，应该有C=F(N,I,A)。一般把时间复杂性和空间复杂性分开，并分别用T 和S 来表示，则有： T=T(N,I)和S=S(N,I) 。（通常，让A 隐含在复杂性函数名当中 最坏情况下的时间复杂性： 最好情况下的时间复杂性： 平均情况下的时间复杂性： 其中DN 是规模为N 的合法输入的集合；I*是DN 中使T(N, I*)达到Tmax(N)的合法输入； 是中使T(N, )达到Tmin(N)的合法输入；而P(I)是在算法的应用中出现输入I 的概率。 算法复杂性在渐近意义下的阶： 渐近意义下的记号：O 、Ω、θ、o 设f(N)和g(N)是定义在正数集上的正函数。 O 的定义：如果存在正的常数C 和自然数N0，使得当N ≥N0时有f(N)≤Cg(N)，则称函数f(N)当N 充分大时上有界，且g(N)是它的一个上界，记为f(N)=O(g(N))。即f(N)的阶不高于g(N)的阶。 根据O 的定义，容易证明它有如下运算规则： (1)O(f)+O(g)=O(max(f,g))； (2)O(f)+O(g)=O(f+g)； (3)O(f)O(g)=O(fg)； (4)如果g(N)=O(f(N))，则O(f)+O(g)=O(f)； (5)O(Cf(N))=O(f(N))，其中C 是一个正的常数； ∑∈= N D I I N T I P (N)T ),()(avg ∑∑∈==N D I k i i i I N e t I P ),()(1),(min min I N T (N)T N D I ∈=),(min 1I N e t k i i i D I N ∑=∈=)~,(1I N e t k i i i ∑==)~,(I N T =),(max max I N T (N)T N D I ∈=),(max 1I N e t k i i i D I N ∑=∈=),(*1I N e t k i i i ∑==) ,(*I N T = 实验四“0-1”背包问题 一、实验目的与要求 熟悉C/C++语言的集成开发环境； 通过本实验加深对贪心算法、动态规划算法的理解。 二、实验内容: 掌握贪心算法、动态规划算法的概念和基本思想，分析并掌握“0-1”背包问题的求解方法，并分析其优缺点。 三、实验题 1.“0-1”背包问题的贪心算法 2.“0-1”背包问题的动态规划算法 说明：背包实例采用教材P132习题六的6-1中的描述。要求每种的算法都给出最大收益和最优解。 设有背包问题实例n=7，M=15,，(w0,w1,。。。w6)=（2,3,5,7,1,4,1），物品装入背包的收益为：（p0，p1，。。。，p6）=（10,5,15,7,6,18,3）。求这一实例的最优解和最大收益。 四、实验步骤 理解算法思想和问题要求； 编程实现题目要求； 上机输入和调试自己所编的程序； 验证分析实验结果； 整理出实验报告。 五、实验程序 // 贪心法求解 #include 算法设计与分析大作业 班级：电子154 姓名：吴志勇 学号： 1049731503279 任课老师：李瑞芳 日期： 2015.12.25 算法设计与分析课程论文 0-1背包问题的算法设计策略对比与分析 0 引言 对于计算机科学来说，算法的概念是至关重要的。在一个大型软件系统的开发中，设计出有效的算法将起到决定性的作用。通俗的讲，算法是解决问题的一种方法。也因此，《算法分析与设计》成为计算科学的核心问题之一，也是计算机科学与技术专业本科及研究生的一门重要的专业基础课。算法分析与设计是计算机软件开发人员必修课，软件的效率和稳定性取决于软件中所采用的算法；对于一般程序员和计算机专业学生，学习算法设计与分析课程，可以开阔编程思路，编写出优质程序。通过老师的解析，培养我们怎样分析算法的“好”于“坏”，怎样设计算法，并以广泛用于计算机科学中的算法为例，对种类不同难度的算法设计进行系统的介绍与比较。本课程将培养学生严格的设计与分析算法的思维方式，改变随意拼凑算法的习惯。本课程要求具备离散数学、程序设计语言、数据结构等先行课课程的知识。 1 算法复杂性分析的方法介绍 算法复杂性的高低体现在运行该算法所需要的计算机资源的多少上，所需的资源越多，该算法的复杂性越高；反之，所需资源越少，该算法的复杂性越低。对计算机资源，最重要的是时间与空间（即存储器）资源。因此，算法的复杂性有时间复杂性T(n)与空间复杂性S(n)之分。 算法复杂性是算法运行所需要的计算机资源的量，这个量应集中反映算法的效率，并从运行该算法的实际计算机中抽象出来，换句话说，这个量应该只依赖要解决的问题规模‘算法的输入和算法本身的函数。用C表示复杂性，N,I和A表示问题的规模、算法的输入和算法本身规模，则有如下表达式： C=F(N,I,A) T=F(N，I,A) S=F(N，I,A) 其中F(N,I,A)是一个三元函数。通常A隐含在复杂性函数名当中，因此表达式中一般不写A。 即：C=F(N,I) T=F(N,I) S=F(N,I) 算法复杂性中时间与空间复杂性算法相似，所以以下算法复杂性主要以时间复杂性为例： 算法的时间复杂性一般分为三种情况：最坏情况、最好情况和平均情况。下面描述算法复杂性时都是用的简化的复杂性算法分析，引入了渐近意义的记号O,Ω，θ，和o。 O表示渐近上界Ω表示渐近下界： θ表示同阶即：f(n)= O(g(n))且 f(n)= Ω（g(n)） 2 常见的算法分析设计策略介绍 2.1 递归与分治策略 分治法的设计思想是，将一个难以直接解决的大问题，分割成一些规模较小的相同问题，以便各个击破，分而治之。 直接或间接地调用自身的算法称为递归算法。用函数自身给出定义的函数称为递归函数。 由分治法产生的子问题往往是原问题的较小模式，这就为使用递归技术提供了方便。在这种情况下，反复应用分治手段，可以使子问题与原问题类型一致而其规模却不断缩小，最终使子问题缩小到很容易直接求出其解。这自然导致递归过程的产生。 分治与递归像一对孪生兄弟，经常同时应用在算法设计之中，并由此产生许多高效算法。 递归算法举例： 共11页第1页 实验项目三 用蛮力法、动态规划法和贪心法求解0/1 背包问题 实验目的 1、学会背包的数据结构的设计，针对不同的问题涉及到的对象的数据结构的设计也不同； 2、对0-1背包问题的算法设计策略对比与分析。 实验内容： 0/1背包问题是给定n 个重量为{w 1, w 2, … ,wn }、价值为{v 1, v 2, … ,vn }的物品和一个容量为C 的背包，求这些物品中的一个最有价值的子集，并且要能够装到背包中。 在0/1背包问题中，物品i 或者被装入背包，或者不被装入背包，设xi 表示物品i 装入背包的情况，则当xi =0时，表示物品i 没有被装入背包，xi =1时，表示物品i 被装入背包。根据问题的要求，有如下约束条件和目标函数： 于是，问题归结为寻找一个满足约束条件式1，并使目标函数式2达到最大的解向量X =(x 1, x 2, …, xn )。 背包的数据结构的设计： typedef struct object { int n;//物品的编号 int w;//物品的重量 int v;//物品的价值 }wup; wup wp[N];//物品的数组，N 为物品的个数 int c;//背包的总重量 1、蛮力法 蛮力法是一种简单直接的解决问题的方法，常常直接基于问题的描述和所涉及的概念定义。蛮力法的关键是依次处理所有的元素。 用蛮力法解决0/1背包问题，需要考虑给定n 个物品集合的所有子集，找出所有可能的子集（总重量不超过背包容量的子集），计算每个子集的总价值，然后在他们中找到价值最大的子集。 所以蛮力法解0/1背包问题的关键是如何求n 个物品集合的所有子集，n 个物品的子集有2的n 次方个，用一个2的n 次方行n 列的数组保存生成的子集，以下是生成子集的算法： ?????≤≤∈≤∑=)1(}1,0{1n i x C x w i n i i i （式1） ∑=n i i i x v 1max （式2） 算法设计与分析实验报告 实验名称贪心算法实现背包问题评分 实验日期年月日指导教师 姓名专业班级学号 一.实验要求 1. 优化问题 有n个输入，而它的解就由这n个输入满足某些事先给定的约束条件的某个子集组成，而把满足约束条件的子集称为该问题的可行解。可行解一般来说是不唯一的。那些使目标函数取极值(极大或极小)的可行解，称为最优解。 2.贪心法求优化问题 算法思想：在贪心算法中采用逐步构造最优解的方法。在每个阶段，都作出一个看上去最优的决策（在一定的标准下）。决策一旦作出，就不可再更改。作出贪心决策的依据称为贪心准则（greedy criterion）。 3.一般方法 1）根据题意，选取一种量度标准。 2）按这种量度标准对这n个输入排序 3）依次选择输入量加入部分解中。如果当前这个输入量的加入，不满足约束条件，则不把此输入加到这部分解中。 procedure GREEDY(A，n) /*贪心法一般控制流程*/ //A(1：n)包含n个输入// solutions←φ //将解向量solution初始化为空／ for i←1 to n do x←SELECT(A) if FEASIBLE(solution，x) then solutions←UNION(solution，x) endif repeat return(solution) end GREEDY 4. 实现典型的贪心算法的编程与上机实验，验证算法的时间复杂性函数。 二.实验内容 1. 编程实现背包问题贪心算法。通过具体算法理解如何通过局部最优实现全局最优， 并验证算法的时间复杂性。 2.输入5个的图的邻接矩阵，程序加入统计prim算法访问图的节点数和边数的语句。 3.将统计数与复杂性函数所计算比较次数比较，用表格列出比较结果，给出文字分析。 三.程序算法 1.背包问题的贪心算法 procedure KNAPSACK(P，W，M，X，n) //P(1：n)和W(1；n)分别含有按 P(i)/W(i)≥P(i+1)/W(i+1)排序的n件物品的效益值 和重量。M是背包的容量大小，而x(1：n)是解向量 real P(1：n)，W(1：n)，X(1：n)，M，cu； integer i，n； X←0 //将解向量初始化为零 cu←M //cu是背包剩余容量 for i←1 to n do if W(i)>cu then exit endif X(i) ←1 cu←cu-W(i) repeat if i≤n then X(i) ←cu/ W(i) endif end GREEDY-KNAPSACK procedure prim(G,) status←“unseen” // T为空 status[1]←“tree node” // 将1放入T for each edge(1,w) do status[w]←“fringe” // 找到T的邻接点 dad[w] ←1; //w通过1与T建立联系 dist[w] ←weight(1,w) //w到T的距离 repeat while status[t]≠“tree node” do pick a fringe u with min dist[w] // 选取到T最近的节点 status[u]←“tree node” for each edge(u,w) do 修改w和T的关系 repeat repeat 2.Prim算法 实验五应用贪心算法求解背包问题 学院：计算机科学与技术专业：计算机科学与技术 学号：班级：姓名： 、 实验内容： 背包问题指的是：有一个承重为W的背包和n个物品，它们各自的重量和价值分别是n ，假设W w i和v i（1 i n）w i 1i，求这些物品中最有价值的一个子集。如果每次选择某一个物品的时候，只能全部拿走，则这一问题称为离散（0-1）背包问题；如果每次可以拿走某一物品的任意一部分，则这一问题称为连续背包问题。 二、算法思想： 首先计算每种物品单位重量的价值Vi/Wi，然后，依贪心选择策略，将尽可能多的单位重量价值最高的物品装入背包。若将这种物品全部装入背包后，背包内的物品总重量未超过C,则选择单位重量价值次高的物品并尽可能多地装入背包。依此策略一直地进行下去，直到背包装满为止。 三、实验过程： #in elude { float p; // 物品效益 float w; // 物品重量 float X; // 物品该放的数量 int flag; // 物品编号 };// 物品信息结构体 void Insertionsort(goodinfo goods[],int n)// 插入排序，按pi/wi 价值收益进行排序，一般教材上按冒泡排序 { int j,i; for(j=2;j<=n;j++) { goods[0]=goods[j]; i=j-1; while (goods[0].p>goods[i].p) { } goods[i+1]=goods[0]; } }// 按物品效益，重量比值做升序排列goods[i+1]=goods[i]; i--; void bag(goodinfo goods[],float M,int n) { float cu; int i,j;分治、贪心、动态规划算法要点复习
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c应用贪心算法求解背包问题
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