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  • 贪心算法概述

    贪心,顾名思义,就是在把一个大问题分割成无数个相类似的子结构之后,对于每一个子结构,只在乎当前,贪心考虑最优选择,无需考虑整体最优。用专业一点的术语来说,就是无后效性。

    具体来说,面对一个大问题,截取当前的一小部分,在这个小部分中选择最优最好的结果。然后以一种迭代,也就是递推的方式选取相似的下一小部分。每次面对一小部分问题,保存最好的结果,丢进集合中。最后在考虑整体的时候,贪心的结果就是集合里这些每个小部分问题保存下来的结果的综合。

    贪心算法是指在对问题求解时,总是做出在当前看来是最好的选择。也就是说,不从整体最优上加以考虑,只做出在某种意义上的局部最优解。贪心算法不是对所有问题都能得到整体最优解,关键是贪心策略的选择,选择的贪心策略必须具备无后效性,即某个状态以前的过程不会影响以后的状态,只与当前状态有关。

    贪心算法的基本要素:

    1.贪心选择性质。所谓贪心选择性质是指所求问题的整体最优解可以通过一系列局部最优的选择,即贪心选择来达到。这是贪心算法可行的第一个基本要素,也是贪心算法与动态规划算法的主要区别。

    动态规划算法通常以自底向上的方式解各子问题,而贪心算法则通常以自顶向下的方式进行,以迭代的方式作出相继的贪心选择,每作一次贪心选择就将所求问题简化为规模更小的子问题。

    对于一个具体问题,要确定它是否具有贪心选择性质,必须证明每一步所作的贪心选择最终导致问题的整体最优解。

    2. 当一个问题的最优解包含其子问题的最优解时,称此问题具有最优子结构性质。问题的最优子结构性质是该问题可用动态规划算法或贪心算法求解的关键特征。

    贪心算法的基本思路:

    从问题的某一个初始解出发逐步逼近给定的目标,以尽可能快的地求得更好的解。当达到算法中的某一步不能再继续前进时,算法停止。

    该算法存在问题:

    1. 不能保证求得的最后解是最佳的;

    2. 不能用来求最大或最小解问题;

    3. 只能求满足某些约束条件的可行解的范围。

    实现该算法的过程:

    从问题的某一初始解出发;

    while 能朝给定总目标前进一步 do

       求出可行解的一个解元素;

    由所有解元素组合成问题的一个可行解;

    用背包问题来介绍贪心算法:

    背包问题:有一个背包,背包容量是M=150。有7个物品,物品可以分割成任意大小。要求尽可能让装入背包中的物品总价值最大,但不能超过总容量。

    物品 A B C D E F G

    重量 35 30 60 50 40 10 25

    价值 10 40 30 50 35 40 30

    分析如下

    目标函数: ∑pi最大

    约束条件是装入的物品总重量不超过背包容量:∑wi<=M( M=150)。

    (1)根据贪心的策略,每次挑选价值最大的物品装入背包,得到的结果是否最优?

    (2)每次挑选所占重量最小的物品装入是否能得到最优解?

    (3)每次选取单位重量价值最大的物品,成为解本题的策略。

    值得注意的是,贪心算法并不是完全不可以使用,贪心策略一旦经过证明成立后,它就是一种高效的算法。

    贪心算法还是很常见的算法之一,这是由于它简单易行,构造贪心策略不是很困难。

    可惜的是,它需要证明后才能真正运用到题目的算法中。

    一般来说,贪心算法的证明围绕着:整个问题的最优解一定由在贪心策略中存在的子问题的最优解得来的。

    对于背包问题中的3种贪心策略,都是无法成立(无法被证明)的,解释如下:

    贪心策略:选取价值最大者。反例:

    W=30

    物品:A B C

    重量:28 12 12

    价值:30 20 20

    根据策略,首先选取物品A,接下来就无法再选取了,可是,选取B、C则更好。

    (2)贪心策略:选取重量最小。它的反例与第一种策略的反例差不多。

    (3)贪心策略:选取单位重量价值最大的物品。反例:

    W=30

    物品:A B C

    重量:28 20 10

    价值:28 20 10

    根据策略,三种物品单位重量价值一样,程序无法依据现有策略作出判断,如果选择A,则答案错误。但是果在条件中加一句当遇见单位价值相同的时候,优先装重量小的,这样的问题就可以解决.

    所以需要说明的是,贪心算法可以与随机化算法一起使用,具体的例子就不再多举了。(因为这一类算法普及性不高,而且技术含量是非常高的,需要通过一些反例确定随机的对象是什么,随机程度如何,但也是不能保证完全正确,只能是极大的几率正确)。

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