算法系列:貪心算法


貪婪算法的基本思想:通過一系列步驟來構造問題的解,每一步都是對已構造的部分解的一個擴展,直到獲得問題的完整解。

貪婪算法中,每一步“貪婪地” 選擇最好的部分解,但不顧及這樣選擇對整體的影響(局部最優),因此得到的全局解不一定最好的解,但對許多問題它能產生整體最優解。

具體算法描述:

   1: void Knapsack(int n,float M, float v[], float w[], float x[])
   2: {
   3:     Sort(n, v, w);
   4:     int i;
   5:     for(i = 1; i < n; i++)
   6:         x[i] = 0;
   7:     float c = M;
   8:     for(i = 1; i < n; i++)
   9:     {
  10:         if(w[i] > c)
  11:             break;
  12:         x[i] = 1;
  13:         c -= w[i];
  14:     }
  15:     if(i <=n)
  16:         x[i] = c/w[i];
  17:  

貪婪算法每一步需要滿足3個條件:

1.可行性:即必須滿足問題的約束。

2.局部最優:它是當前步驟中所有可行選擇中最佳的局部選擇。

3.不可取消:選擇一旦做出,在后面的步驟中就無法改變。

貪心算法的基本要素:

1.貪心選擇性質:指所求問題的整體最優解可以通過一系列局部最優的選擇,即貪心選擇來達到。

2.最優子結構性質:指一個問題的最優解包含其子問題的最優解。

 

貪心算法與動態規划算法的異同:

相同點:都具有最優子結構性質。

不同點:動態規划算法通常以自底向上的方式解各子問題;而貪心算法則通常以自頂向下的方式進行;

下面研究2個經典的組合優化例題,並以此說明貪心算法與動態規划算法的主要差別。

0-1背包問題:

給定n種物品和一個背包。物品i的重量是Wi,其價值為Vi,背包的容量為C。應如何選擇裝入背包的物品,使得裝入背包中物品的總價值最大?

背包問題:
與0-1背包問題類似,所不同的是在選擇物品i裝入背包時,可以選擇物品i的一部分,而不一定要全部裝入背包,1≤i≤n。

這2類問題都具有最優子結構性質,極為相似;但背包問題可以用貪心算法求解;而0-1背包問題卻不能用貪心算法求解。

 

對於0-1背包問題:

例:n=3 , w={10,20,30} ,v={60,100,120} ,c=30
  什么是最好的部分解?  ——不求單位價值。
  按貪心法:選擇價值最大的放入 : 全部放入第3個物品,價值120。
  但這並不是最好的, 若1,2 物品的放入,總價值160。

對於背包問題:

例:n=3 w={10,20,30} v={60,100,120} c=50
單位價值:v/w={6,5,4}
因此,第一次挑一號物品全部裝入, r=40,pv=60
第二次挑2號,全部裝入r=20,pv=160
第三次挑3號,部分裝入r=0,pv=160+80=240

相信大家也已經看出問題的所在了。事實上,在考慮0-1背包問題時,應比較選擇該物品和不選擇該物品所導致的最終方案,然后再作出最好選擇。所以對於0-1背包問題,適合采用動態規划來求解。

動態規划解0-1背包問題:

例:n=3 ,w={30,20,10} ,v={120, 100,60} ,c=50

 

m(i,j)是背包容量為j,可選擇物品為1, 2,…,i時的最優值

image

Max=220,放入第一種,第二種


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