回溯法与分支界限法(精)
回溯法和分支限界法解决0-1背包题(精)[精品文档]
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0-1背包问题计科1班朱润华 2012040732方法1：回溯法一、回溯法描述：用回溯法解问题时，应明确定义问题的解空间。
问题的解空间至少包含问题的一个（最优）解。
对于0-1背包问题，解空间由长度为n的0-1向量组成。
该解空间包含对变量的所有0-1赋值。
例如n=3时，解空间为：｛（0，0，0），（0，1，0），（0，0，1），（1，0，0），（0，1，1），（1，0，1），（1，1，0），（1，1，1）｝然后可将解空间组织成树或图的形式，0-1背包则可用完全二叉树表示其解空间给定n种物品和一背包。
物品i的重量是wi，其价值为vi，背包的容量为C。
问:应如何选择装入背包的物品，使得装入背包中物品的总价值最大?形式化描述：给定c >0, wi >0, vi >0 , 1≤i≤n.要求找一n元向量(x1,x2,…,xn,),xi∈{0,1}, ? ∑ wi xi≤c,且∑ vi xi达最大.即一个特殊的整数规划问题。
二、回溯法步骤思想描述：0-1背包问题是子集选取问题。
0-1 背包问题的解空间可以用子集树表示。
在搜索解空间树时，只要其左儿子节点是一个可行节点，搜索就进入左子树。
当右子树中有可能含有最优解时，才进入右子树搜索。
否则，将右子树剪去。
设r是当前剩余物品价值总和，cp是当前价值；bestp是当前最优价值。
当cp+r<=bestp时，可剪去右子树。
计算右子树上界的更好的方法是将剩余物品依次按其单位价值排序，然后依次装入物品，直至装不下时，再装入物品一部分而装满背包。
例如：对于0-1背包问题的一个实例，n=4,c=7,p=[9,10,7,4],w=[3,5,2,1]。
这4个物品的单位重量价值分别为[3,2,3,5,4]。
以物品单位重量价值的递减序装入物品。
先装入物品4，然后装入物品3和1.装入这3个物品后，剩余的背包容量为1，只能装0.2的物品2。
由此得一个解为[1,0.2,1,1]，其相应价值为22。
回溯法与分支限界法的分析与比较
回溯法与分支限界法的分析与比较摘要：通过对回溯法与分支限界法的简要介绍，进一步分析和比较这两种算法在求解问题时的差异，并通过具体的应用来说明两种算法的应用场景及侧重点。
关键词：回溯法分支限界法n后问题布线问题1、引言1.1回溯法回溯法在问题的解空间树中，按深度优先策略，从根结点出发搜索解空间树。
算法搜索至解空间树的任意一点时，先判断该结点是否包含问题的解。
如果肯定不包含，则跳过对该结点为根的子树的搜索，逐层向其祖先结点回溯；否则，进入该子树，继续按深度优先策略搜索。
这种以深度优先方式系统搜索问题解的算法称为回溯法。
1.2分支限界法分支限界法是以广度优先或以最小耗费优先的方式搜索解空间树，在每一个活结点处，计算一个函数值，并根据函数值，从当前活结点表中选择一个最有利的结点作为扩展结点，使搜索朝着解空间上有最优解的分支推进，以便尽快地找出一个最优解，这种方法称为分支限界法。
2、回溯法的基本思想用回溯法解问题时，应明确定义问题的解空间。
问题的解空间至少应包含问题的一个解。
之后还应将解空间很好的组织起来，使得能用回溯法方便的搜索整个解空间。
在组织解空间时常用到两种典型的解空间树，即子集树和排列树。
确定了解空间的组织结构后，回溯法从开始结点出发，以深度优先方式搜索整个解空间。
这个开始结点成为活结点，同时也成为当前的扩展结点。
在当前的扩展结点处，搜索向纵深方向移至一个新结点。
这个新结点就成为新的活结点，并成为当前扩展结点。
如果在当前的扩展结点处不能再向纵深方向移动，则当前扩展结点就成为死结点。
此时，应往回移动至最近的一个活结点处，并使这个活结点成为当前的扩展结点。
回溯法以这种工作方式递归的在解空间中搜索，直至找到所要求的解或解空间中已无活结点时为止。
3、分支限界法的基本思想用分支限界法解问题时，同样也应明确定义问题的解空间。
之后还应将解空间很好的组织起来。
分支限界法也有两种组织解空间的方法，即队列式分支限界法和优先队列式分支限界法。
回溯法和分支限界法解决背包题
0-1背包问题计科1班朱润华 32方法1：回溯法一、回溯法描述：用回溯法解问题时，应明确定义问题的解空间。
问题的解空间至少包含问题的一个（最优）解。
对于0-1背包问题，解空间由长度为n的0-1向量组成。
该解空间包含对变量的所有0-1赋值。
例如n=3时，解空间为：｛（0，0，0），（0，1，0），（0，0，1），（1，0，0），（0，1，1），（1，0，1），（1，1，0），（1，1，1）｝然后可将解空间组织成树或图的形式，0-1背包则可用完全二叉树表示其解空间给定n种物品和一背包。
物品i的重量是wi，其价值为vi，背包的容量为C。
问:应如何选择装入背包的物品，使得装入背包中物品的总价值最大形式化描述：给定c >0, wi >0, vi >0 , 1≤i≤n.要求找一n元向量(x1,x2,…,xn,), xi∈{0,1}, ∑ wi xi≤c,且∑ vi xi达最大.即一个特殊的整数规划问题。
二、回溯法步骤思想描述：0-1背包问题是子集选取问题。
0-1 背包问题的解空间可以用子集树表示。
在搜索解空间树时，只要其左儿子节点是一个可行节点，搜索就进入左子树。
当右子树中有可能含有最优解时，才进入右子树搜索。
否则，将右子树剪去。
设r是当前剩余物品价值总和，cp是当前价值；bestp是当前最优价值。
当cp+r<=bestp时，可剪去右子树。
计算右子树上界的更好的方法是将剩余物品依次按其单位价值排序，然后依次装入物品，直至装不下时，再装入物品一部分而装满背包。
例如：对于0-1背包问题的一个实例，n=4,c=7,p=[9,10,7,4],w=[3,5,2,1]。
这4个物品的单位重量价值分别为[3,2,3,5,4]。
以物品单位重量价值的递减序装入物品。
先装入物品4，然后装入物品3和1.装入这3个物品后，剩余的背包容量为1，只能装的物品2。
由此得一个解为[1,,1,1]，其相应价值为22。
尽管这不是一个可行解，但可以证明其价值是最优值的上界。
经典：分支限界法的基本思想
// 取下一扩展结点
if (ew == -1)
{ if (queue.isEmpty()) return bestw;
queue.put(new Integer(-1));
// 同层结点尾部标志
ew = ((Integer) queue.remove()).intValue(); // 取下一扩展结点
设N=3, W=(20,15,15),
P=(40,25,25), M=30 活动结点表: {B, C}, {E, C,}, {K, C,}, {C}, U=40. {F, G,}, {L, M, G,},
C=40 C=40
C=0
C=25
C=0
C=40 C=50
6
6.3 装载问题
1. 问题描述
有一批共个集装箱要装上2艘载重量分别为C1和C2的轮船，其中集
2.回溯法是深度优先搜索,而分支限界法是广度优先搜索. 采用广度优先搜索策略的目的是:尽早发现剪枝点.
5
算法设计与分析 >分枝限界roblem )
问题陈述 设有n个物体和一个背包,物体i的重量为wi价值为pi ,背包 的载荷为M,若将物体i(1 i n,)装入背包,则有价值为pi . 目标是找到一个方案,使得能放入背包的物体总价值最高.
算法的设计(第7章回溯和分支限界)
未来发展趋势及挑战
算法优化与创新
随着问题规模的增大和复杂性的提高，对算法性能的要求也越来越高。未来，回溯和分支 限界算法的优化和创新将成为研究的重要方向，包括设计更高效的剪枝策略、改进限界函 数等。
人工智能与算法设计的融合
人工智能技术的快速发展为算法设计提供了新的思路和方法。未来，将人工智能技术应用 于回溯和分支限界算法的设计中，实现自动化或半自动化的算法设计和优化，将是一个具 有挑战性的研究方向。
旅行商问题（TSP）。该问题是一个典 型的分支限界法应用案例，通过估计 旅行路线的最小和最大长度，可以缩 小搜索范围，并提高求解效率。回溯 法也可以求解TSP问题，但通常需要结 合其他优化技术来提高效率。
案例三
图的着色问题。该问题既可以通过回 溯法求解，也可以通过分支限界法求 解。回溯法通过搜索所有可能的着色 方案，并判断每种方案是否满足条件 ；而分支限界法则可以通过估计着色 的最小和最大颜色数来缩小搜索范围 。在实际应用中，可以根据问题的具 体特点和要求选择合适的算法。
利用问题领域的启发式信息来指导搜索过程，通过评估当前状态的优劣来决定是否继续 搜索该分支。启发式剪枝能够显著减少搜索空间，提高算法效率。
04 分支限界法详解
队列式分支限界法原理及实现
• 原理：队列式分支限界法是一种广度优先搜索策略，通过维 护一个队列来存储待处理的节点。在搜索过程中，不断从队 列中取出节点进行处理，并将产生的子节点加入队列，直到 找到目标节点或队列为空。
特点
回溯算法通常采用深度优先搜索策略 ，在搜索过程中，当发现当前路径无 法满足问题要求时，会及时“回溯” 到上一步，尝试其他可能的路径。
适用场景及问题类型
适用场景
回溯算法适用于求解组合优化问题， 如排列组合、图的着色、旅行商问题 等。
算法设计中的回溯与分支限界
算法设计中的回溯与分支限界在算法设计中，回溯（backtracking）和分支限界（branch and bound）是两个重要的技术手段。
它们在解决一些求解最优化问题或搜索问题时具有广泛的应用。
本文将介绍回溯和分支限界的基本概念、原理和应用，并探讨它们在算法设计中的意义和作用。
一、回溯算法回溯算法是一种穷举搜索算法，通过遍历问题的解空间来求解问题。
其基本思想是从初始解开始，逐步地扩展解的空间，直到找到满足问题要求的解。
如果扩展到某一步时发现无法继续扩展，那么就回溯到上一步，并继续向其他可能的解空间进行扩展。
回溯算法通常使用递归的方式实现。
回溯算法的应用非常广泛，适用于求解组合优化、满足约束条件的问题，例如八皇后问题、0-1背包问题、图的哈密顿路径等。
回溯算法虽然简单直观，但由于其穷举搜索的性质，时间复杂度较高，因此在面对问题规模较大时不一定是最优的选择。
二、分支限界算法分支限界算法是一种在解空间中搜索最优解的算法。
它通过在搜索过程中设定上、下界限制来避免对无效解的搜索，从而提高搜索效率。
分支限界算法通常使用优先队列（priority queue）来存储待扩展的节点，并按照一定的优先级进行扩展，每次选择优先级最高的节点进行扩展。
在扩展过程中，通过修剪（pruning）无效解的策略，可以进一步提高搜索效率。
分支限界算法的应用范围广泛，适用于求解组合优化问题、图论问题等。
通过合理的界限设定和剪枝策略，分支限界算法能够大幅减少搜索空间，提高求解效率。
但需要注意的是，分支限界算法并不能保证一定能够找到最优解，只能保证找到满足要求的解。
三、回溯与分支限界的比较回溯算法和分支限界算法都是基于搜索的算法，二者都可以求解组合优化问题和搜索问题。
回溯算法在搜索过程中对解空间进行穷举，而分支限界算法通过设定界限和剪枝策略来减少搜索空间。
因此，相较于回溯算法，分支限界算法具有更高的搜索效率。
然而，回溯算法也有其优点。
回溯法和分支限界法
对于许多问题而言，在搜索试探时选取x[i]的值顺序是任意的。 在其他条件相当的前提下，让可取值最少的x[i]优先。从图中 关于同一问题的2棵不同解空间树，可以体会到这种策略的潜 力。
(a)
重排原理
(b) 图(a)中，从第1层剪去1棵子树，则从所有应当考虑的3元组中 一次消去12个3元组。对于图(b)，虽然同样从第1层剪去1棵子 树，却只从应当考虑的3元组中消去8个3元组。前者的效果明 15 显比后者好。
13
回溯法效率分析
通过前面具体实例的讨论容易看出，回溯算法的 效率在很大程度上依赖于以下因素： (1)产生x[k]的时间； (2)满足显约束的x[k]值的个数； (3)计算约束函数constraint的时间； (4)计算上界函数bound的时间； (5)满足约束函数和上界函数约束的所有x[k]的个 数。 好的约束函数能显著地减少所生成的结点数。但 这样的约束函数往往计算量较大。因此，在选 择约束函数时通常存在生成结点数与约束函数 计算量之间的折衷。
•解空间：子集树 n wi xi c1 •可行性约束函数： i 1 •上界函数：
private static double bound(int i) {// 计算上界 double cleft = c - cw; // 剩余容量 double bound = cp; // 以物品单位重量价值递减序装入物品 while (i <= n && w[i] <= cleft) { cleft -= w[i]; bound += p[i]; i++; } // 装满背包 if (i <= n) bound += p[i] / w[i] * cleft; return bound; }
回溯法与分支限界法
回溯法与分支限界法
回溯法和分支限界法是两种常见的搜索算法，它们被广泛应用于解决优化问题、约束满足问题以及决策问题等。
1. 回溯法：
回溯法是一种基于试错的搜索算法。
它通过搜索解空间树来寻找问题的解。
在搜索过程中，回溯法会尝试不同的分支，也就是不同的可能解，直到找到解或者确定无解。
如果一条路径上无法得到解，回溯法就会回溯到上一步，尝试其他的分支。
回溯法的优点是它可以找到问题的所有解，而且对于一些问题，它能够找到最优解。
然而，它的缺点是如果问题的解空间树太大，那么回溯法可能会需要大量的时间和空间。
2. 分支限界法：
分支限界法是一种有约束的深度优先搜索算法。
它也是一种用于求解优化问题的算法。
在分支限界法中，搜索过程被分为两个阶段：扩展阶段和限界阶段。
在扩展阶段，算法会生成所有可能的候选解，并将它们加入到候选解集中。
在限界阶段，算法会根据一些启发式信息对候选解进行排序，并只考虑排在最前面的候选解。
这样可以大大减少搜索的时间和空间复杂度。
分支限界法的优点是它可以找到问题的最优解，而且它的时间复杂度是可以控制的。
然而，它的缺点是如果问题的解空间树太大，那么它可能需要大量的内存来存储候选解。
总的来说，回溯法和分支限界法都是非常重要的搜索算法，它们在不同的场景下都有各自的优势和适用性。
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实验6回溯法与分支界限法1 回溯法
C++代码
运行结果截图
算法分析
回溯法解决八皇后问题，并推广至N皇后问题，思路是很简单的，只需要一次新增加一个皇后，并判断此皇后可以放在当前行的哪些位置，如果可以在某些列放下去而不产生冲突，那么就在这些方法中继续递归求解下一行。
如果在当前行任何位置都不能摆放一个皇后，就放弃当前的某一种尝试。
虽然代码很短，但是写起来是不好写的，因为递归程序并不好调试。
所以要注意写递归程序的要点：
1) 合理定义递归程序的入口和出口
2) 每次递归，只是将问题的规模缩小，而问题性质是不变的。
在这个算法中是一次求解棋盘中的一行达到规模缩小而问题性质不变。
2分支界限法C++代码
运行结果截图
算法分析
首先，这个算法是很神奇的，因为在之前使用动态规划法解决01背包问题之后，我一度以为使用穷举的方法因为运算量太大，是基本不可行的。
但是使用分支界限法是可以得，而且，即使把分支界限法中的上界bound固定为一个非常大的数，也就是说，完完全全的使用穷举法，不对穷举法进行任何优化，也是可以在瞬间求解的。
这充分说明了计算机强大的计算能力。
其次，分支界限法是对穷举法的改进，它抛弃了那些部分解肯定不在最优解
中的尝试，而这是通过确定部分解的上界来完成的。
穷举法就是根据每个物品在或不在组合出所有可能，然后挑选最优解。
而分支界限法一次判断一个物品是否会在最优解中，因为在判断若干物品（有时候甚至是少数几个物品）的组合中，我们就已经可以知道某些部分解是不可行包含在最优解中的（通过上界实现），所以这种方法可以在实际中极大的提高穷举法的运算时间。
最后，课本上关于上界的计算方法只是一个粗略的计算方式，如果问题规模变得更大，我们可以优化上界的计算方法。