程序設計--淺談編程解決實際問題的常見思想


  現實生活中有很多問題,人為不好解決,但利用計算機速度快,不出錯的特性,可以很方便的解決這些問題,下面簡單說說我在程序設計中解決實際問題的一些常見思想,高手可以忽略掉,我也是無聊了隨便寫寫而已。

  1.枚舉最優解時的情況

  有很多問題初看很棘手,但經過仔細的分析,可以得出一些顯然的結論。

比如下面這個問題: 平面內有上千個點,用一個半徑為R的圓去覆蓋,最多能覆蓋多少點?

很多程序員最暴力的思想就是枚舉,當然,利用計算機枚舉確實是一種很有效的方法,特別是在數據很小的情況下,不過對於上述問題,如何枚舉?枚舉圓的位置嗎?

確實可以枚舉圓的位置,如果不經過思考的話可以再二維正交系內枚舉每個點為圓心,然后判斷這個圓能覆蓋多少圓,最后結果取最大。這個確實是一種方法,不過枚舉圓心如何操作?圓心的位置是連續的,不一定是整點這種離散位置。 在數據量小並且精度要求不高的情況下,直接枚舉圓心位置不失為一種好方法。 不過稍微分析一下,可以得出這樣一個結論,最優解的圓,也就是覆蓋點數最多的R半徑圓,圓上一定有2個點。

假設最優解的圓上沒有2個點,如上圖,那么通過微量的平移操作,可以使圓接觸平面上的2個點,並且園內的點數不會減少,它的結果不會比圓上沒有2個點的情況差,因為只要求最多覆蓋多少點,我們可以枚舉任意2個點,這樣這個半徑為R的圓的位置就確定了(在這2點中垂線上,2中情況),再判斷下這個圓能覆蓋多少點,兩兩點枚舉后取最大,這是一個O(n^3)的算法,1秒內出結果,已經比較高效了。

所以很多時候我們可以分析出最優解是滿足哪種情況的,然后利用計算機特性枚舉最優解,逆向思維解決問題。

 

2.動態規划思想

  動態規划是一種非常高效的方法,這個編程里面非常非常常見的,不會搜索和動態規划,基本就不會編程。如果能夠把一個大的問題划分成若干同類型的小問題,小問題又可以划分為更小的問題,直到問題程度小到一眼就能看出來,那么可以把小問題先求出保存起來,再求大問題,這樣的例子相當多,而且利用遞歸的寫法,記憶化深度搜索,很容易實現這種思想。 經典的動態規划還有很多,最長上升子序列,背包問題等等。

如果還有同學不明白動態規划,看下面這一段C語言代碼,相信能體會到一些。

 

/******************
Author: lxglbk
Function : Get the fibonacci number fib(n) (n>=0) 求n的階乘

fib(0)=fib(1)=1
fib(n)=fib(n-1)+fib(n-2) n>1
****/

//完成動態規划一般2種思路
//1.記憶化深搜
int fib[MAXN]
int F(int n)
{
  if(n<2) return 1;
  if(fib[n]) return fib[n];
  return fib[n]=F(n-1)+F(n-2);
}

//2.規划方向后求解
int fib[MAXN],i;
fib[0]=fib[1]=1;
for(i=2;i<=N;i++) fib[i]=fib[i-1]+fib[i-2];

  

3.排序思想

  排序是一個很重要的步驟,有很多問題通過排序預處理后可以更加方便的解決,比如有很多張鈔票,面值不同,從中選出m張使它們價值最大,一個做法當然是對着些鈔票按照面值從大到小排序,然后取錢m張就行了。 很多時候,上述的動態規划需要對變量按照一定規則排序后才能操作,有一定順序了之后,問題一般更容易解決。

  說到排序,不得不說到貪心算法。 貪心算法就是如果整個大問題要到達一個最優解,在構成大問題的小問題中每次取最優的,大問題就能到達最優情況,當然,這種策略需要經過證明正確性后才能實現。 很多貪心過程前也要有排序的工作,比如著名的Kruscal最小生成樹算法,要先對邊進行排序,所以排序是個很重要的過程,以至於它被收錄到各種語言的庫函數中,可以方便的被用戶調用。

 

4.二分,三分。

  前幾天聽同學說,現在8K已經招不到會寫二分的程序員了,當然這句話有誇張的成分啦,^-^ 可見二分在程序設計中的常用性。

其實這個可以並列到枚舉算法那中,只是這種枚舉效率很高,很多地方比如SQL數據庫里面的查找方式就是二分,二分枚舉,三分枚舉,時間復雜度都是對數級的,在程序設計中是相當高效的算法。

二分的條件:數據的單調性。 比如在一組從小到大排序的數中尋找數x 這樣就可以二分枚舉 每次可以把范圍縮小一半,無論數據多大,就算超出int類型,都能很快找出來。

比如求函數8*x^4 + 7*x^3 + 2*x^2 + 3*x + 6 == K 在區間[0,100]的解 由於這個函數在[0,100]是單調遞增的,所以二分是個不錯的選擇。

 

三分的條件: 數據的有凸性。

比如求函數6*x^7 + 8*x^6 + 7*x^3 + 5*x^2 - K*x 在區間[0,100]的最小值

這個函數在[0,100]是一個先減后增(或者完全單調,主要看K)的函數,所以三分求解。

當然這個問題可以轉換為二分,將函數求導,二分其在0的位置即可,這個涉及到高等數學,不贅述了。

具體過程可以去查資料 二分前一般也需要排序操作的。

 

5.隨機算法

 

  很多時候在要解決的問題沒有任何思路,枚舉數據量又太大的情況下,可以使用一些隨機算法。

  常見的隨機算法,蟻群算法,模擬退火等等。

  簡單說說模擬退火(后面我打算專門寫一篇模擬退火的隨筆)

  比如平面內有成千上萬個點,要在平面選一個圓,覆蓋所有點,問最小的半徑是多少?

  

  第一次接觸這個問題的時候我有想到一種做法(不敢保證正確):

  根據1 還是可以得出結論,最優情況圓上面一定有2個點,否則的話可以把圓繼續縮小平移,使它上面有2個點,結果更優。

所以枚舉任意2個點,圓心一定在這2點中垂線上,這里是對的。 然后假設這個圓心在在中垂線上移動,如果滿足要求,包圍了所有點。

那么我猜測這個圓在移動過程中半徑先減小后增大。(感覺而已,未證明,也未測試,太麻煩了。) 這里可以使用上述的三分枚舉,因為半徑函數是下凸性的。

 

我上面這個方法正確性先不說,復雜度是有一點的,枚舉2點,再三分。O(n^2*logV) 當然,數據很小的情況下,比如只有幾千個點的話,結果秒出,數據大了,效率降低了。

 

這里說一下模擬退火的思想。 大概依照一個這樣的理論,假設現在有1個位置pos,如果最優解圓心位置在pos上面,那么如果往pos下面搜,搜到的圓心一定比在pos的位置時候大。

依照這個理論,我們就可以現在平面內隨機生成一些點,然后貪心的隨機移動它們,直到達到一定程度停止。這個算法在時間復雜度上是O(n)的 正確性很高,運行也相當的快。

 

6.最后一個問題轉化

  有的時候遇到問題,不能立即想出策略,這個時候嘗試下將這個問題轉化為常見的模型,利用常見模型和經典的算法解決它。

  最常見的還是一些圖論上的問題,將實際問題轉化為流網絡或者二分圖。


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