第五次作業【回溯算法】
文章目錄
- 第五次作業【回溯算法】
- <1> 算法分析題5-3 回溯法重寫0-1背包
- <2> 算法分析題5-5 旅行商問題(剪枝)
- <3> 算法實現題5-2 最小長度電路板排列問題
- <4> 算法實現題5-7 n色方柱問題
- <5> 算法實現題5-13 任務分配問題
<1> 算法分析題5-3 回溯法重寫0-1背包
▲問題重述
一共有N件物品,第i(i從0開始)件物品的重量為weight[i],價值為value[i]。在總重量不超過背包承載上限maxw的情況下,求能夠裝入背包的最大價值是多少?并要求輸出選取的物品編號。
(要求使用回溯法求解)
▲解題思路
使用回溯法。構造解空間樹,從第0層到第n-1層,每層表示對于背包內某個物品的“取”或“不取”。第n層為答案層,在第n層進行判定結果是否是想要的(即能不能獲得更優的解),若是就做出相應的處理。
這是一個萬能的解空間樹圖,借來用用。
剪枝想法:
(1)如果在第n層之前,就出現了總和大于的maxw情況,那么此時已經超重了。之后無論是否取,都不可能再得到總和小于maxw的結果了。這種情況以及它的子樹直接刪去即可。
(2)如果在第n層之前,目前已有的價值,即使加上剩余可取的最大價值,也不能達到已經達到的bestv,那么之后即使全部取也不能達到bestv了。這種情況及它的子樹直接刪去即可。
剪枝代碼可以刪去,不影響結果,但會降低效率。
▲代碼
// -*- coding:utf-8 -*-// File : 01背包問題(回溯).cpp
// Time : 2023/12/14
// Author : wolf#include <iostream>
using namespace std;int w[5000];
int v[5000];
bool flag[5000];
bool ans[5000];
int now_w = 0, now_v = 0;
int n, maxw, bestv = 0;
int rest_v;void backtrace(int depth)
{if (depth == n) // 到達第n層:答案{if (now_v > bestv && now_w <= maxw) // 答案是需要打印的{bestv = now_v;for (int i = 0; i < n; i++){ans[i] = flag[i];}}return;}if (depth < n && now_w > maxw)return; // 剪枝:此時背包已經過重if (now_v + rest_v <= bestv)return; // 剪枝:此時剩余價值即使全部拾取也無法達到最大價值rest_v -= v[depth];// 取這個物品now_v += v[depth];now_w += w[depth];flag[depth] = 1;backtrace(depth + 1);now_v -= v[depth];now_w -= w[depth];flag[depth] = 0;// 不取這個物品backtrace(depth + 1);rest_v += v[depth];return;
}int main()
{cin >> maxw >> n;for (int i = 0; i < n; i++){cin >> w[i] >> v[i];ans[i] = 0;flag[i] = 0;rest_v += v[i];}backtrace(0);for (int i = 0; i < n; i++){if (ans[i])cout << i << " ";}cout << endl;cout << bestv << endl;return 0;
}
▲驗證
洛谷P1048(https://www.luogu.com.cn/problem/P1048)
【驗證時把輸出最優解向量的for循環刪去,題目要求不一樣】
回溯法解決背包問題的O(2n)還是從數量級上顯著不如動態規劃的O(n2)。
故在數據量很大的時候,不能通過測評,顯示超時。
所以01背包問題還是得用動態規劃解,本題只是練習一下回溯法。
<2> 算法分析題5-5 旅行商問題(剪枝)
▲題目重述
▲解答
▲代碼
// -*- coding:utf-8 -*-// File : 5-5 旅行售貨員問題.cpp
// Time : 2023/12/30
// Author : wolf#include <iostream>using namespace std;
int const MAXINT = 99999;
int map[1000][1000];
int v, e, best_cost = MAXINT, now_cost = 0;
int now_order[1000]; // 儲存當前排列解向量
int ans[1000]; // 儲存結果排列解向量
int upbound;void swap(int a, int b)
{int temp = now_order[a];now_order[a] = now_order[b];now_order[b] = temp;
};void backtrack(int depth)
{if (depth == v - 1) // 到達答案層{if (map[now_order[depth]][now_order[0]] != -1) // 能跟第一個相連{now_cost += map[now_order[depth]][now_order[0]];if (now_cost < best_cost) // 更優,保存結果{best_cost = now_cost;for (int i = 0; i < v; i++){ans[i] = now_order[i];}}now_cost -= map[now_order[depth]][now_order[0]];}}else{for (int i = depth; i < v; i++) // 生成排列樹當前向量中depth位置的節點編號(第depth個訪問哪個節點){if (map[now_order[depth - 1]][now_order[i]] != -1) // 前一節點到當前的這個節點有可達邊{if (now_cost + map[now_order[depth - 1]][now_order[i]] <= upbound)// 剪枝:若當前步驟使得費用和就大于上界了,不必繼續{swap(i, depth);now_cost += map[now_order[depth - 1]][now_order[depth]];backtrack(depth + 1);now_cost -= map[now_order[depth - 1]][now_order[depth]];swap(i, depth);}}}}return;
}
int main()
{cin >> v >> e;for (int i = 0; i < v; i++)for (int j = 0; j < v; j++)map[i][j] = -1;for (int i = 0; i < e; i++){int a, b, weight;cin >> a >> b >> weight;map[a][b] = weight;map[b][a] = weight;}// 剪枝預備:for (int i = 0; i < v; i++){int i_out_max = 0; // 存儲從i節點向外for (int j = 0; j < v; j++){i_out_max = max(i_out_max, map[i][j]);}upbound += i_out_max;}// 指定從0號節點開始遍歷// 反正最后每一個節點都需要遍歷過for (int i = 0; i < v; i++)now_order[i] = i; // 初始按照遞增順序(初始順序是無所謂的,只要保證都能遍歷一遍就可以)backtrack(1); // 0號節點已固定,搜索從1號節點開始的全排列cout << best_cost << endl;return 0;
}
▲驗證
input
4 5
0 1 10
0 2 15
1 2 35
1 3 25
2 3 30output
50
<3> 算法實現題5-2 最小長度電路板排列問題
▲問題重述
▲解題思路
排列樹解決問題。創建以下函數/類
- Board 類:
class Board
定義了一個名為Board
的類,用于處理電路板排列問題。- 私有成員變量包括
n
(電路板數)、m
(連接塊數)、x
(當前解的數組)、bestx
(當前最優解的數組)、bestd
(當前最優密度)、low
(輔助數組,存儲連接塊的最小高度)、high
(輔助數組,存儲連接塊的最大高度)、B
(連接塊數組)。
- len 函數:
int len(int ii)
用于計算排列中的某一部分的長度,即連接塊之間的最大高度差。- 該函數首先將
low
和high
數組初始化為合適的值,然后根據當前排列計算連接塊的最小和最大高度,最后計算最大高度差并返回。
- Backtrack 函數:
void Backtrack(int i)
是一個遞歸函數,用于在排列樹上進行回溯搜索,尋找最優解。- 當達到排列樹的終點(
i == n
)時,計算當前排列的長度,并更新最優解。 - 否則,對于當前位置
i
,嘗試選擇不同的電路板進行交換,然后繼續遞歸搜索。
- ArrangeBoards 函數:
int ArrangeBoards(int **B, int n, int m, int *bestx)
是主要的調用函數。- 在該函數中,創建一個
Board
類的實例X
,并通過初始化設置其成員變量。 - 利用回溯算法調用
Backtrack(1)
來找到最優解。 - 返回最優解的密度。
- main 函數:
main
函數讀取輸入,調用ArrangeBoards
函數來解決問題,并輸出結果。- 動態分配二維數組
B
以存儲連接塊信息。 - 讀取輸入的電路板連接信息。
- 創建數組
bestx
用于存儲最優解。 - 輸出最優解的密度和排列。
▲代碼
// 電路板排列問題
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
class Board
{friend int ArrangeBoards(int **, int, int, int *);private:void Backtrack(int i);int len(int ii);int n, // 電路板數m, // 連接塊數*x, // 當前解*bestx, // 當前最優解bestd, // 當前最優密度*low, //*high, //**B; // 連接塊數組
};
int Board::len(int ii)
{for (int i = 0; i <= m; i++){high[i] = 0;low[i] = n + 1;}for (int i = 1; i <= ii; i++){for (int k = 1; k <= m; k++){if (B[x[i]][k]){if (i < low[k])low[k] = i;if (i > high[k])high[k] = i;}}}int tmp = 0;for (int k = 1; k <= m; k++){if (low[k] <= n && high[k] > 0 && tmp < high[k] - low[k])tmp = high[k] - low[k];}return tmp;
}
void Board::Backtrack(int i) // 回溯搜索排列樹
{if (i == n) // 到達排列樹終點{int tmp = len(i);if (tmp < bestd){bestd = tmp;for (int j = 1; j <= n; j++)bestx[j] = x[j];}}else{for (int j = i; j <= n; j++) // 選擇x[j]為下一塊電路板{swap(x[i], x[j]);int ld = len(i);if (ld < bestd)Backtrack(i + 1);swap(x[i], x[j]);}}
}
int ArrangeBoards(int **B, int n, int m, int *bestx)
{Board X;// 初始化XX.x = new int[n + 1];X.low = new int[m + 1];X.high = new int[m + 1];X.B = B;X.n = n;X.m = m;X.bestx = bestx;X.bestd = n + 1;// 初始化total和nowfor (int i = 1; i <= n; i++){X.x[i] = i;}X.Backtrack(1);delete[] X.x;delete[] X.low;delete[] X.high;return X.bestd;
}
int main()
{int n, m;cin >> n >> m;int **B = new int *[n + 1];for (int i = 0; i <= n; i++)B[i] = new int[m + 1];for (int i = 1; i <= n; i++)for (int j = 1; j <= m; j++)cin >> B[i][j];int *bestx = new int[n + 1];for (int i = 1; i <= n; i++)bestx[i] = 0;int ans = ArrangeBoards(B, n, m, bestx);cout << ans << endl;for (int i = 1; i <= n; i++)cout << bestx[i] << " ";cout << endl;return 0;
}
▲驗證
測試案例
8 5
1 1 1 1 1
0 1 0 1 0
0 1 1 1 0
1 0 1 1 0
1 0 1 0 0
1 1 0 1 0
0 0 0 0 1
0 1 0 0 1
測試結果:
<4> 算法實現題5-7 n色方柱問題
▲問題重述
設有 n 個立方體,每個立方體的每一面用紅、黃、藍、綠等 n 種顏色之一染色。要把這n 個立方體疊成一個方形柱體,使得柱體的 4 個側面的每一側均有 n 種不同的顏色。試設計一個回溯算法,計算出 n 個立方體的一種滿足要求的疊置方案。
對于給定的 n 個立方體以及每個立方體各面的顏色,計算出 n 個立方體的一種疊置方案,使得柱體的 4 個側面的每一側均有 n 種不同的顏色。
數據輸入:
第一行有 1 個正整數 n,0< n< 27,表示給定的立方體個 數和顏色數均為 n。第 2 行是 n 個大寫英文字母組成的字符串。該字符串的第 k(0≤ k< n) 個字符代表第 k 種顏色。接下來的 n 行中,每行有 6 個數,表示立方體各面的顏色。立方體各面的編號如下圖所示。
圖中 F 表示前面,B 表示背面,L 表示左面,R 表示右面,T 表示頂面,D 表示底面。相 應地,2 表示前面,3 表示背面,0 表示左面,1 表示右面,5 表示頂面,4 表示底面。
例如,在示例輸出文件中,第3行的6個數0 2 1 3 0 0分別表示第1個立方體的左面的顏色為R, 右面的顏色為B, 前面的顏色為G, 背面的顏色為Y, 底面的顏色為R, 頂面的顏色為 R。
案例:
input
4
RGBY
0 2 1 3 0 0
3 0 2 1 0 1
2 1 0 2 1 3
1 3 3 0 2 2 output
RBGYRR
YRBGRG
BGRBGY
GYYRBB
▲解題思路
在下面的代碼中使用注釋講解。使用回溯法的思路套用回溯法的模板,但有改動。
本題比較晦澀難懂,在理解上需要花很多時間。
關于代碼部分的映射方式
▲代碼
// -*- coding:utf-8 -*-// File : 5-7 n色方柱問題.cpp
// Time : 2023/12/27
// Author : wolf#include <iostream>using namespace std;
char color[28]; // 用來儲存輸入的數字對應的顏色(只在輸出的時候轉換為字符,在做題時使用數字存儲)
int box[28][6]; // box[i][j]用來儲存第i個立方體各個面(即第j面)的顏色
int n;
int count = 1; // 標記這是第幾個輸出的;可能結果
const int place[24][6] = {// 轉動立方體的映射函數,使用box[depth+1][j]=origin[place[method][j]]來獲取第method種方法下下一層的擺放方式// place[i][j]為第i種轉換方法下該立方體該層的第j面應該變換為place[i][j]{0, 1, 2, 3, 4, 5},{4, 5, 2, 3, 1, 0},{1, 0, 2, 3, 5, 4},{5, 4, 2, 3, 0, 1}, // 2為底面,3為頂面{0, 1, 3, 2, 4, 5},{4, 5, 3, 2, 1, 0},{1, 0, 3, 2, 5, 4},{5, 4, 3, 2, 0, 1}, // 3為底面,2為頂面{3, 2, 0, 1, 4, 5},{4, 5, 0, 1, 2, 3},{2, 3, 0, 1, 5, 4},{5, 4, 0, 1, 3, 2}, // 0為底面,1為頂面{3, 2, 1, 0, 4, 5},{4, 5, 1, 0, 2, 3},{2, 3, 1, 0, 5, 4},{5, 4, 1, 0, 3, 2}, // 1為底面,0為頂面{1, 0, 4, 5, 3, 2},{3, 2, 4, 5, 0, 1},{0, 1, 4, 5, 2, 3},{2, 3, 4, 5, 1, 0}, // 4為底面,5為頂面{1, 0, 5, 4, 3, 2},{3, 2, 5, 4, 0, 1},{0, 1, 5, 4, 2, 3},{2, 3, 5, 4, 1, 0}, // 5為底面,4為頂面
};void backtrack(int depth)
{// cout << "depth=" << depth << endl;if (depth == n - 1) // 到達答案層{cout << "Possible Solution " << count << " : " << endl;count++;for (int i = 0; i < n; i++){for (int j = 0; j < 6; j++){cout << color[box[i][j]] << " ";}cout << endl;}cout << endl;}else{int process = depth + 1;int origin[6];// 【使用origin[]數組先保存原始情況,可以省去整體恢復原狀的步驟,24次for循環每次都是新的開始】for (int i = 0; i < 6; i++) // 保存待處理層初始存放的顏色origin[i] = box[process][i]; // origin[i]表示該層初始第i個面存放的顏色// cout << "origin=" << endl;// for (int i = 0; i < 6; i++)// cout << origin[i] << " ";// cout << endl;for (int i = 0; i < 24; i++) // 列舉子集樹,每個立方體有24種放法,第i種方法{// cout << "method = " << i << endl;for (int j = 0; j < 6; j++) // 按照該種方案的映射,把處理的該層立方體先擺好{box[process][j] = origin[place[i][j]];}// 接下來看這種擺法是否可行int flag = 1; // 初始標記,表示可行// 表示遍歷某個側面時,是否出現重復顏色,used_i[j]標記第i個側面第j號顏色是否被用過,初始清零int used_0[n];int used_1[n];int used_2[n];int used_3[n];for (int i = 0; i < n; i++) //{used_0[i] = 0;used_1[i] = 0;used_2[i] = 0;used_3[i] = 0;}for (int i = 0; i <= process; i++) // 遍歷到現在所有已經放好的立方體,查看每個側面是否有重復的顏色{used_0[box[i][0]]++;used_1[box[i][1]]++;used_2[box[i][2]]++;used_3[box[i][3]]++;if (used_0[box[i][0]] > 1 || used_1[box[i][1]] > 1 || used_2[box[i][2]] > 1 || used_3[box[i][3]] > 1)// 題目要求是最后擺好的整個立方體條的每個側面都要有n種顏色// 但因為n個立方體擺出的,該側面條有n種顏色,所以相當于每個立方體在該側面的顏色都不一樣// 即某個側面條上每種顏色只能使用一次,這里轉換了題目的條件// 某個側面條上某個顏色用了不止一次,不符合條件,該方案以及該方案的子樹剪掉{flag = 0;// cout << used_0[box[i][0]] << " " << used_1[box[i][1]] << " " << used_2[box[i][2]] << " " << used_3[box[i][3]] << endl;break;}}if (flag == 1) // 目前所有已經擺好的立方體的每個側面都沒有重復的顏色,符合要求,可以繼續放下一個立方體backtrack(depth + 1);}}return;
}int main()
{cin >> n;for (int i = 0; i < n; i++){cin >> color[i];}for (int i = 0; i < n; i++){for (int j = 0; j < 6; j++){cin >> box[i][j];}}cout << endl<< "ans = " << endl;backtrack(-1);return 0;
}
▲驗證
未找到在線測評,使用題目給出的案例
input
4
RGBY
0 2 1 3 0 0
3 0 2 1 0 1
2 1 0 2 1 3
1 3 3 0 2 2
輸出結果如下:
ans =
Possible Solution 1 :
R B G Y R R
Y R B G R G
B G R B G Y
G Y Y R B BPossible Solution 2 :
B R G Y R R
R Y B G G R
G B R B Y G
Y G Y R B BPossible Solution 3 :
R B Y G R R
Y R G B R G
B G B R G Y
G Y R Y B BPossible Solution 4 :
B R Y G R R
R Y G B G R
G B B R Y G
Y G R Y B BPossible Solution 5 :
Y G R B R R
G B Y R R G
B R B G G Y
R Y G Y B BPossible Solution 6 :
G Y R B R R
B G Y R G R
R B B G Y G
Y R G Y B BPossible Solution 7 :
Y G B R R R
G B R Y R G
B R G B G Y
R Y Y G B B Possible Solution 8 :
G Y B R R R
B G R Y G R
R B G B Y G
Y R Y G B B
可見答案不唯一(顯然可能),題目給定的答案在其中之一。
我們這種算法的時間復雜度O(n*24^n),數據量大了之后可能會很慢。
<5> 算法實現題5-13 任務分配問題
▲問題重述
問題描述: 設有n件工作分配給n個人。將工作i分配給第j個人所需的費用為 cij。試設計一個算法,為每一個人都分配1 件不同的工作,并使總費用達到最小。
算法設計:設計一個算法,對于給定的工作費用,計算最佳工作分配方案,使總費用達到最小。
數據輸入:第一行有1 個正整數n (1≤n≤20)。接下來的n行,每行n個數,表示工作費用。
樣例:
input
3
10 2 3
2 3 4
3 4 5output
9
▲解題思路
假設人不動,將工作分發給不同人。
解向量x[i]為第i個人被分配第x[i]個工作,解空間樹為排列樹。從第0層開始,第0層就有n個節點(可以認為第-1層有一個節點),答案層在第n層(第n-1層將自己與自己交換,實際上不影響最終結果)。在第n層比較當前總費用是不是比目前保存的方案總費用更少,如果是就將這個更小的存下來,否則不做處理。
遍歷完整個排列樹后得到最優解。
▲代碼
// -*- coding:utf-8 -*-// File : 5-13.cpp
// Time : 2023/12/25
// Author : wolf#include <iostream>using namespace std;
const int MAXNUM = 9999999;
int c[21][21];
int x[21];
int nowcost = 0, mincost = MAXNUM, n;void swap(int a, int b)
{int temp = x[a];x[a] = x[b];x[b] = temp;
}void backtrack(int depth)
{if (depth == n) // 答案層{mincost = min(mincost, nowcost);// cout << nowcost << endl;// 不需要輸出解向量,故不用保存解向量}else{for (int i = depth; i < n; i++){// depth當前人,i為待分發物品序號,人不動,發物品nowcost += c[x[i]][depth];swap(i, depth);backtrack(depth + 1);swap(i, depth);nowcost -= c[x[i]][depth];}}
}int main()
{cin >> n;for (int i = 0; i < n; i++){for (int j = 0; j < n; j++){cin >> c[i][j];}}for (int i = 0; i < n; i++)x[i] = i;backtrack(0);cout << mincost << endl;return 0;
}
▲驗證
測試數據可通過。