算法导论 第十二章 动态规划
算法导论16.2-20-1背包问题

算法导论16.2-20-1背包问题CLRS 16.2-2 请给出⼀个解决0-1背包问题的运⾏时间为O(nW)的动态规划⽅法,其中,n为物品的件数,W为窃贼可放⼊他的背包中的物品中的最⼤重量。
我们有n种物品,物品j的重量为w j,价格为p j。
我们假定所有物品的重量和价格都是⾮负的。
背包所能承受的最⼤重量为W。
如果限定每种物品只能选择0个或1个,则问题称为0-1背包问题。
可以⽤公式表⽰为:maximizesubject to⽅法⼀:采⽤最原始的递归⽅法,公式为V(1,...,n) = max(v k + V(1,...,k-1,k+1,...,n));时间复杂度为O(2n),很多⼦问题被重复计算。
View Code1 #include <stdio.h>2 #include <stdlib.h>34//每件物品的价值和重量5 typedef struct goods_t6 {7int weight;8int value;9 }goods;1011//删除第i个元素后的所有元素12 goods* remain_data(goods* data, const int n, const int i)13 {14 goods* remain = (goods*)malloc((n-1)*sizeof(goods));15int j;16int count = 0;17for (j = 0; j < n; j++)18 {19if (j != i)20 remain[count++] = data[j];21 }22return remain;23 }2425//递归26int recursive(goods* data, const int n, int weight)27 {28int max = 0;29int i;30for (i = 0; i < n; i++)31 {32if (data[i].weight <= weight)33 {34int tmp = data[i].value + recursive(remain_data(data, n, i), n - 1, weight - data[i].weight);35if (tmp > max)36 max = tmp;37 }38 }39return max;40 }4142int main()43 {44//输⼊最⼤重量45int max_weight;46 scanf("%d", &max_weight);47//输⼊物品件数及其重量和价值48int num;49 scanf("%d", &num);50int n = num;51 goods* data = (goods*)malloc(n*sizeof(goods));5253 goods g;54while (num--)55 {56 scanf("%d%d", &(g.weight), &(g.value));57 data[n-num-1] = g;58 }59 printf("%d\n", recursive(data, n, max_weight));60return0;61 }⽅法⼆:我们假定w1, ..., w n和W都是正整数。
算法导论复习资料

算法导论复习资料一、选择题:第一章的概念、术语。
二、考点分析:1、复杂度的渐进表示,复杂度分析。
2、正确性证明。
考点:1)正确性分析(冒泡,归并,选择);2)复杂度分析(渐进表示O,Q,©,替换法证明,先猜想,然后给出递归方程)。
循环不变性的三个性质:1)初始化:它在循环的第一轮迭代开始之前,应该是正确的;2)保持:如果在循环的某一次迭代开始之前它是正确的,那么,在下一次迭代开始之前,它也应该保持正确;3)当循环结束时,不变式给了我们一个有用的性质,它有助于表明算法是正确的。
插入排序算法:INSERTION-SORT(A)1 for j ←2 to length[A]2 do key ←A[j]3 ▹Insert A[j] into the sorted sequence A[1,j - 1].4 i ←j - 15 while i > 0 and A[i] > key6 do A[i + 1] ←A[i]7 i ←i - 18 A[i + 1] ←key插入排序的正确性证明:课本11页。
归并排序算法:课本17页及19页。
归并排序的正确性分析:课本20页。
3、分治法(基本步骤,复杂度分析)。
——许多问题都可以递归求解考点:快速排序,归并排序,渐进排序,例如:12球里面有一个坏球,怎样用最少的次数找出来。
(解:共有24种状态,至少称重3次可以找出不同的球)不是考点:线性时间选择,最接近点对,斯特拉算法求解。
解:基本步骤:一、分解:将原问题分解成一系列的子问题;二、解决:递归地解各子问题。
若子问题足够小,则直接求解;三、合并:将子问题的结果合并成原问题的解。
复杂度分析:分分治算法中的递归式是基于基本模式中的三个步骤的,T(n)为一个规模为n的运行时间,得到递归式T(n)=Q(1) n<=cT(n)=aT(n/b)+D(n)+C(n) n>c附加习题:请给出一个运行时间为Q(nlgn)的算法,使之能在给定的一个由n个整数构成的集合S和另一个整数x时,判断出S中是否存在有两个其和等于x的元素。
动态规划初探及什么是无后效性?(转)

动态规划初探及什么是⽆后效性?(转)对于动态规划,我是这样理解的:把待解决的问题分为⼀个规模较原问题⼩的⼦问题、然后要考虑的就是如何更具这个⼦问题如何得到原问题的解以及如何解决这个⼦问题当然、原问题和⼦问题需要有相同的解决⽅式、它们只有问题规模的区别。
这样讲有点抽象、⽤⼀个简单的图来说明下:可以简单的这样理解、把原问题划分为⼩的问题(能组合成原问题的,⼩的问题再划分、持续下去,找到简单解反⽅向计算回来(记下每⼀步结果)最后就能得到解。
听起来似乎不难,但是要作⽐较深⼊的理解还是得通过实例说话有向⽆环图的最长简单路径:对于⼀般的图,求最长路径并不向最短路径那样容易,因为最长路径并没有最优⼦结构的属性。
但DGA例外问题描述:给⼀个带权有向⽆环图G=(V,E),找出这个图⾥的最长路径。
说实话初学者直接给出这个图会看蒙的、再看看问题,不知道从何下⼿。
好了,对上图做个简单的处理:现在看起来是不是清晰多了呢⽤dilg(v)表⽰以点结尾的最长路径,现在考虑dilg(D), dilg(B), dilg(C)dilg(D)=max{dilg(B)+1, dilg(C)+3}来解释⼀下:点D的⼊度边有CD、BD。
以D结尾的最短路径必定经过C、B中的⼀点;如果是C点,则以dilg(C)+3(权值)定会⼤于等于dilg(B)+1(权值)如果没能看懂,请注意dilg(V)的定义对于任意的点V可以有如下表达式:dilg(v)=max{dilg(u)+w(u, v),(u,v)∈E}这样、问题dilg(V)就会被转化为较⼩的⼦问题dilg(U)(当然,U是连⼊V的点)任何⼀个问题都可以⽤这样的⽅式转化、变⼩。
但总不能⽆限变⼩啊,最后回成为最简单的问题。
当有两个点,且其中的⼀个点⼊度为0的时候如图中的S-->C他们的最长距离就是权值2。
⼊门篇中说过,思考⽅向是从复杂到简单,⽽计算⽅向是从简单到复杂。
算法如下Initialize all dilg(.) values to ∞;1.Let S be the set of vertices with indegree=0; ////设集合S,⾥⾯的是⼊度为0的点2.For each vertex v in S do dilg(v)=0;3. For each v∈V\S in Topological Sorting order do //对于V中除S外的点、按照拓扑排序的顺序,依次求出最长路径并保存好 dilg(v)=max{dilg(u)+w(u, v),(u,v)∈E} //拓扑排序可以简单的理解为从起点到终点的最短路径4. Return the dilg(v) with maximum value.现在是找到最长路径的⼤⼩了、但是如何得到最长路径呢?只需做点⼩⼩的改动:Let S be the set of vertices with indegree=0;for each vertex v in S dodist(v)=0;4. For each v∈V\S in Topological Sorting order dodilg(v)=max(u,v)∈E{dilg(u)+w(u, v)}let (u,v) be the edge to get the maximumvalue;dad(v)=u;5. Return the dilg(.) with maximum value.每⼀步都记下V的⽗节点、最后根据dad()数组即可得到路径。
动态规划算法综述

6 动态规划算法基本框架
代码如下所示院
f(n,m)=max{f(n-1,m), f(n-1,m-w[n])+P(n,m)} for(j=1; j<=m; j=j+1) // 第一个阶段
xn[j] = 初始值;
渊下转第 1缘愿 页冤
作者简介院张莹渊1991要冤袁女袁汉族袁新疆昌吉人袁天津师范大学计算机与信息工程学院 2013 级计算机应用技术在读硕士研究生袁研究方向为生物信息学遥
}
揖参考文献铱 咱员暂网上的文献(举例院最长公共子序列-动态规划-算法导论实践[EB/OL].http:// /jiaxiaobosuper/item/5f0e7510979bb0413b176e4b袁2011-03-27. 咱圆暂Wang Xiaodong. Design and analysis of computer algorithms [Z].Beijing: Publishing House of electronics industry, 2012援王晓东.计算机算法设计与分析.北 京:电子工业出版社,2012.
源 工程技术保证措施
源援员 开工前要落实各级人员岗位责任制袁要明确主管领导抓技术曰现 场设立专职技术负责人遥 使责任制度落实到个人遥 源援圆 做好施工图与方案的技术交底袁施工中要认真检查执行情况遥 源援猿 现场设专人做好技术档案管理工作袁做好日常设计文件尧签证尧 变更等的收集整理工作袁做好隐蔽记录和施工日记遥
Science & Technology Vision
科技视界
动态规划算法综述
张莹 渊天津师范大学计算机与信息工程学院袁中国 天津 300387冤
揖摘 要铱本文通过系统的介绍动态规划算法的基本概念尧基本思想尧适用情况分析尧基础求解步骤尧实现的说明和算法的基本框架袁对动态 规划算法进行了总结和概述遥
算法分析与设计概论

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How to Study Algorithm?
“Sometimes we have experiences, and sometimes not. Therefore, the better way is to learn more."
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1.1 算法与程序
算法:是满足下述性质的指令序列。
输 入:有零个或多个外部量作为算法的输入。 输 出:算法产生至少一个量作为输出。 确定性:组成算法的每条指令清晰、无歧义。 有限性:算法中每条指令的执行次数有限,执行 每条指令的时间也有限。
1) 第一种解法:
输入:所购买的三种鸡的总数目n 输出:满足问题的解的数目k,公鸡,母鸡,小鸡的只数g[ ],m[ ],s[ ] 1. void chicken_question(int n,int &k,int g[ ],int m[ ],int s[ ]) 2. { int a,b,c; 4. k = 0; 5. for (a=0;a<=n;a++) 6. for (b=0;b<=n;b++) 7. for (c=0;c<=n;c++) { 8. if ((a+b+c==n)&&(5*a+3*b+c/3==n)&&(c%3==0)) { 9. g[k] = a; 10. m[k] = b; 11. s[k] = c; 12. k++; 13. }}}
矩阵。
数组 T:表示售货员的路线,依次存放旅行路线中的城 市编号。
售货员的每一条路线,对应于城市编号的一个排列。
n 个城市共有 n! 个排列,采用穷举法逐一计算每一条路线的费 用,从中找出费用最小的路线,便可求出问题的解。
算法课设实验报告(3篇)

第1篇一、实验背景与目的随着计算机技术的飞速发展,算法在计算机科学中扮演着至关重要的角色。
为了加深对算法设计与分析的理解,提高实际应用能力,本实验课程设计旨在通过实际操作,让学生掌握算法设计与分析的基本方法,学会运用所学知识解决实际问题。
二、实验内容与步骤本次实验共分为三个部分,分别为排序算法、贪心算法和动态规划算法的设计与实现。
1. 排序算法(1)实验目的:熟悉常见的排序算法,理解其原理,比较其优缺点,并实现至少三种排序算法。
(2)实验内容:- 实现冒泡排序、快速排序和归并排序三种算法。
- 对每种算法进行时间复杂度和空间复杂度的分析。
- 编写测试程序,对算法进行性能测试,比较不同算法的优劣。
(3)实验步骤:- 分析冒泡排序、快速排序和归并排序的原理。
- 编写三种排序算法的代码。
- 分析代码的时间复杂度和空间复杂度。
- 编写测试程序,生成随机测试数据,测试三种算法的性能。
- 比较三种算法的运行时间和内存占用。
2. 贪心算法(1)实验目的:理解贪心算法的基本思想,掌握贪心算法的解题步骤,并实现一个贪心算法问题。
(2)实验内容:- 实现一个贪心算法问题,如活动选择问题。
- 分析贪心算法的正确性,并证明其最优性。
(3)实验步骤:- 分析活动选择问题的贪心策略。
- 编写贪心算法的代码。
- 分析贪心算法的正确性,并证明其最优性。
- 编写测试程序,验证贪心算法的正确性。
3. 动态规划算法(1)实验目的:理解动态规划算法的基本思想,掌握动态规划算法的解题步骤,并实现一个动态规划算法问题。
(2)实验内容:- 实现一个动态规划算法问题,如背包问题。
- 分析动态规划算法的正确性,并证明其最优性。
(3)实验步骤:- 分析背包问题的动态规划策略。
- 编写动态规划算法的代码。
- 分析动态规划算法的正确性,并证明其最优性。
- 编写测试程序,验证动态规划算法的正确性。
三、实验结果与分析1. 排序算法实验结果:- 冒泡排序:时间复杂度O(n^2),空间复杂度O(1)。
动态规划例子与复杂度

动态规划例⼦与复杂度动态规划的基本思路:动态规划使⽤分⽽治之的策略,但是具有针对性。
此种策略由理查德.贝尔曼(Richard E. Bellman)于1957年在dynamic programming⼀书中提出。
同年Bellman和Lester Ford⼀起设计了图论中最短路径的Bellman-Ford算法。
动态规划和贪⼼算法的区别:动态规划的特点:1 分析⼀个最有解决⽅案应该具备的结构(能否使⽤动态规划策略);2递归定义最有解决⽅案(状态转移⽅程);3 由底⾄上构建⼀个最优解决⽅案(备忘录构建)动态规划的⼏个例⼦:补充(以下例⼦全是基于备忘录的动态规划)流⽔装配线问题:问题描述:产品从“出发”到“到达”要经过流⽔线,经过n个步骤,每个步骤可以有两种选择:S1,i 和S2,i;图1中C i,j X i,j是花销;要求产品总花销最少。
(扩展为和图论算法最短路径的关系)最基本的想法:类似于组合数学上过程相乘的问题,每⼀个相乘的元素有2中状态,所以⽣产的路径数⼀共有2n种,程序复杂度为指数时间复杂度,空间复杂度为n。
实际操作中会发现,当固定k种处理组合⽅式,计算其他步骤取不同值时,相同处理⽅式的花销组合会重复计算。
动态规划⽅法:⼀个问题是假如整体最优解通过S1,j状态,那么从出发点到S1,j和S1,j到到达点两段路径是不是也是最优解(最短路径)?可以使⽤反证法证明:两段路径也是最优解。
这样的话我们就可以把⼤问题分解为⼦问题。
在分解的时候我们从出发点开始累计计算最优花销,也可以从到达点开始计算最优花销,这⾥我们采⽤前者,这样符合直观顺序。
考虑其中的状态转移过程,当进⼊S1,j状态时,要么从S1,j-1要么从S2,j-1流⼊。
那么到达S1,j时的处理花销C(S1,j)=C(S1,j-1)+C1,j-1 或者C(S1,j)=C(S2,j-1)+C2,j-1 +X2,j-1,最优解时取两者中的最⼩值。
下⾯来推算下时间复杂度。
西电算法导论上机实验报告

算法导论上机实验报告册班级:xxxxxx学号:xxxxxxx 姓名:xxxx 教师:xxxxxx目录实验一排序算法 (1)题目一: (1)1、题目描述: (1)2、所用算法: (1)3、算法分析: (1)4、结果截图: (1)5、总结: (2)题目二: (3)1、题目描述: (3)2、所用算法: (3)3、算法分析: (3)4、结果截图: (3)5、总结: (4)题目三: (4)1、题目描述: (4)2、所用算法: (4)3、算法分析: (5)4、结果截图: (5)5、总结: (5)题目四: (6)1、题目描述: (6)3、算法分析: (6)4、结果截图: (6)5、总结: (7)实验二动态规划 (7)题目一: (7)1、题目描述: (7)2、所用策略: (7)3、算法分析: (7)4、结果截图: (8)5、总结: (8)题目二: (9)1、题目描述: (9)2、所用策略: (9)3、算法分析: (9)4、结果截图: (9)5、总结: (10)题目三: (10)1、题目描述: (10)2、所用策略: (10)3、算法分析: (10)4、结果截图: (11)题目四: (12)1、题目描述: (12)2、所用策略: (12)3、算法分析: (12)4、结果截图: (12)5、总结: (13)题目五: (13)1、题目描述: (13)2、所用策略: (13)3、算法分析: (13)4、结果截图: (14)5、总结: (14)实验三贪心算法 (14)题目一: (14)1、题目描述: (14)2、所用策略: (14)3、算法分析: (14)4、结果截图: (15)5、总结: (16)题目二: (16)1、题目描述: (16)3、算法分析: (16)4、结果截图: (17)5、总结: (17)题目三: (17)1、题目描述: (17)2、所用算法: (18)3、算法分析: (18)4、结果截图: (18)5、总结: (19)题目四: (19)1、题目描述: (19)2、所用算法: (19)3、算法分析: (19)实验四回溯法 (19)题目一: (19)1、题目描述: (20)2、所用策略: (20)3、算法分析: (20)题目二: (21)1、题目描述: (21)2、所用策略: (21)实验一排序算法题目一:1、题目描述:描述一个运行时间为θ(nlgn)的算法,给定n个整数的集合S和另一个整数x,该算法能确定S中是否存在两个其和刚好为x的元素。
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Optimal structure最优子结构
Optimal substructure does not apply to all optimization problems Example. Given a directed graph G = (V, E), and a pair of vertices u and v Shortest path find a path u ~> v with the fewest edges Longest path find a path u ~> v with the most edges Shortest path has optimal substructure
Matrix-chain multiplication矩阵链乘
• Goal. Given a sequence of matrices A1,A2,…,An, find an optimal order of multiplication
• Multiplying two matrices of dimension p×q and q×r, takes time which is dominated by the number of scalar multiplication, which is p×q×r
A recursive solution递归定义最优解
• Define m[i,j] as the minimum number of scalar multiplications needed to compute the matrix product Ai..j (We want the value of m[1,n])标量乘法运算次数的最小值
• What if we check all possible ways of multiplying? How many ways of parenthesizing are there?计算括号法方案数 • P(n): number of way of parenthesizing. Then P(1) =1 and for n≥2
Optimal substructure
Longest path does not have optimal substructure
Longest path from q to t: q → r → t. Longest path from r to t: r → q → s → t, which is not contained in the longest path from q to t. Difference between shortest and longest path: Shortest path has independent subproblem (solution to one problem does not depend on the other). If (p1 = uw)(p2 = wv) is a shortest path, then p1 and p2 cannot share any vertex other than w
Matrix-Chain Multiplication DP Algo.
• O(n3)
Example: DP for CMM
• The optimal solution is ( A1 ( A2 A3 ) ) ( ( A4 A5 ) A6 )
Construct an Optimal Solution构造一个最优解
Recursively define the value of the optimal solution递归定义最优解的值 Compute the value of the solution in a bottomup fashion自底向上计算一个最优解的值 Construct the optimal computed information solution using the
• We would like to find the split that uses the minimum number of multiplications. Thus,
• To obtain the actual parenthesization, keep track of the optimal k for each pair (i,j) as s[i,j].
Dynamic programming
动态规划(dynamic programming)是运筹学的一 个分支,20世纪50年代初美国数学家R.E.Bellman等 人 在 研 究 多 阶 段 决 策 过 程 (Multistep decision process)的优化问题时,提出了著名的最优性原理, 把多阶段过程转化为一系列单阶段问题,逐个求解, 创立了解决这类过程优化问题的新方法——动态规 划 多阶段决策问题:求解的问题可以划分为一系列相 互联系的阶段,在每个阶段都需要做出决策,且一 个阶段决策的选择会影响下一个阶段的决策,从而 影响整个过程的活动路线,求解的目标是选择各个 阶段的决策是整个过程达到最优
• Generally. Ai has dimension pi-1×pi and we’d like to minimize the total number of scalar multiplications
Example
• Order 1
• Order 2
Brute force method穷举法
Proof. If there’s a shorter path from u to w, call it p’1, then p’1p2 contains a shorter path than p1p2 from u to v, which contradicts the assumption.
Dynamic programming(动态规 划)
(高级设计和分析技术)
主要内容
•Dynamic programming 动态规划 •Matrix-chain multiplication矩阵链乘法 •Elements of dynamic programming动态规 划要素 •Longest common subsequence最长公共子 序列
Elements of DP Algorithms
For matrix-chain multiplication
There were Θ (n2) subproblems overall, and in each we had at most n –1 choices, giving an O(n3) running time.
• Notation. Ai..j represents Ai…Aj 求值的结果
• Any parenthesization of Ai..j where i < j must split into two products of the form Ai..k and Ak+1..j.
• Optimal substructure. If the optimal parenthesization splits the product as Ai..k and Ak+1..j, then parenthesizations within Ai..k and Ak+1..j must each be optimal
• The final matrix multiplication in computing A1..n optimally is A1..s[1,n]As[1,n]+1..n. s[1,s[1,n]] determines the last matrix multiplication in computing A1..s[1,n] and s[s[1,n]+1,n] determines the last matrix multiplication in computing As[1,n]+1..n.
Dynamic programming
动态规划的思想实质是分治思想和解决冗余 动态规划算法与分治法类似,其基本思想也 是将待求解问题分解成若干个子问题
Dynamic programming
动态规划的思想实质是分治思想和解决冗余 动态规划算法与分治法类似,其基本思想也 是将待求解问题分解成若干个子问题
Opti problem domains in two ways:
across
How many subproblems are used in an optimal solution to the original problem How many choices we have in determining which subproblem(s) to use in an optimal solution
An optimal parenthesization’s structure最优括号化结构
• If the optimal parenthesization of A1 × A2 × … ×An is split between Ak and Ak+1, then
• The only uncertainty is the value of k --Try all possible values of k. The one that returns the minimum is the right choice
If i = j, there is nothing to do, so that m[i,j] = 0;