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贪心算法动态题

发布时间:2023-02-15 06:14:06

1. 程序员算法基础——贪心算法

贪心是人类自带的能力,贪心算法是在贪心决策上进行统筹规划的统称。

比如一道常见的算法笔试题---- 跳一跳

我们自然而然能产生一种解法:尽可能的往右跳,看最后是否能到达。
本文即是对这种贪心决策的介绍。

狭义的贪心算法指的是解最优化问题的一种特殊方法,解决过程中总是做出当下最好的选择,因为具有最优子结构的特点,局部最优解可以得到全局最优解;这种贪心算法是动态规划的一种特例。 能用贪心解决的问题,也可以用动态规划解决。

而广义的贪心指的是一种通用的贪心策略,基于当前局面而进行贪心决策。以 跳一跳 的题目为例:
我们发现的题目的核心在于 向右能到达的最远距离 ,我们用maxRight来表示;
此时有一种贪心的策略:从第1个盒子开始向右遍历,对于每个经过的盒子,不断更新maxRight的值。

贪心的思考过程类似动态规划,依旧是两步: 大事化小 小事化了
大事化小:
一个较大的问题,通过找到与子问题的重叠,把复杂的问题划分为多个小问题;
小事化了:
从小问题找到决策的核心,确定一种得到最优解的策略,比如跳一跳中的 向右能到达的最远距离

在证明局部的最优解是否可以推出全局最优解的时候,常会用到数学的证明方式。

如果是动态规划:
要凑出m元,必须先凑出m-1、m-2、m-5、m-10元,我们用dp[i]表示凑出i元的最少纸币数;
有 dp[i]=min(dp[i-1], dp[i-2], dp[i-5], dp[i-10]) + 1 ;
容易知道 dp[1]=dp[2]=dp[5]=dp[10]=1 ;
根据以上递推方程和初始化信息,可以容易推出dp[1~m]的所有值。

似乎有些不对? 平时我们找零钱有这么复杂吗?
从贪心算法角度出发,当m>10且我们有10元纸币,我们优先使用10元纸币,然后再是5元、2元、1元纸币。
从日常生活的经验知道,这么做是正确的,但是为什么?

假如我们把题目变成这样,原来的策略还能生效吗?

接下来我们来分析这种策略:
已知对于m元纸币,1,2,5元纸币使用了a,b,c张,我们有a+2b+5c=m;
假设存在一种情况,1、2、5元纸币使用数是x,y,z张,使用了更少的5元纸币(z<c),且纸币张数更少(x+y+z<a+b+c),即是用更少5元纸币得到最优解。
我们令k=5*(c-z),k元纸币需要floor(k/2)张2元纸币,k%2张1元纸币;(因为如果有2张1元纸币,可以使用1张2元纸币来替代,故而1元纸币只能是0张或者1张)
容易知道,减少(c-z)张5元纸币,需要增加floor(5*(c-z)/2)张2元纸币和(5*(c-z))%2张纸币,而这使得x+y+z必然大于a+b+c。
由此我们知道不可能存在使用更少5元纸币的更优解。
所以优先使用大额纸币是一种正确的贪心选择。

对于1、5、7元纸币,比如说要凑出10元,如果优先使用7元纸币,则张数是4;(1+1+1+7)
但如果只使用5元纸币,则张数是2;(5+5)
在这种情况下,优先使用大额纸币是不正确的贪心选择。(但用动态规划仍能得到最优解)

如果是动态规划:
前i秒的完成的任务数,可以由前面1~i-1秒的任务完成数推过来。
我们用 dp[i]表示前i秒能完成的任务数
在计算前i秒能完成的任务数时,对于第j个任务,我们有两种决策:
1、不执行这个任务,那么dp[i]没有变化;
2、执行这个任务,那么必须腾出来(Sj, Tj)这段时间,那么 dp[i] = max(dp[i], dp[ S[j] ] ) + 1 ;
比如说对于任务j如果是第5秒开始第10秒结束,如果i>=10,那么有 dp[i]=max(dp[i], dp[5] + 1); (相当于把第5秒到第i秒的时间分配给任务j)

再考虑贪心的策略,现实生活中人们是如何安排这种多任务的事情?我换一种描述方式:

我们自然而然会想到一个策略: 先把结束时间早的兼职给做了!
为什么?
因为先做完这个结束时间早的,能留出更多的时间做其他兼职。
我们天生具备了这种优化决策的能力。

这是一道 LeetCode题目 。
这个题目不能直接用动态规划去解,比如用dp[i]表示前i个人需要的最少糖果数。
因为(前i个人的最少糖果数)这种状态表示会收到第i+1个人的影响,如果a[i]>a[i+1],那么第i个人应该比第i+1个人多。
即是 这种状态表示不具备无后效性。

如果是我们分配糖果,我们应该怎么分配?
答案是: 从分数最低的开始。
按照分数排序,从最低开始分,每次判断是否比左右的分数高。
假设每个人分c[i]个糖果,那么对于第i个人有 c[i]=max(c[i-1],c[c+1])+1 ; (c[i]默认为0,如果在计算i的时候,c[i-1]为0,表示i-1的分数比i高)
但是,这样解决的时间复杂度为 O(NLogN) ,主要瓶颈是在排序。
如果提交,会得到 Time Limit Exceeded 的提示。

我们需要对贪心的策略进行优化:
我们把左右两种情况分开看。
如果只考虑比左边的人分数高时,容易得到策略:
从左到右遍历,如果a[i]>a[i-1],则有c[i]=c[i-1]+1;否则c[i]=1。

再考虑比右边的人分数高时,此时我们要从数组的最右边,向左开始遍历:
如果a[i]>a[i+1], 则有c[i]=c[i+1]+1;否则c[i]不变;

这样讲过两次遍历,我们可以得到一个分配方案,并且时间复杂度是 O(N)

题目给出关键信息:1、两个人过河,耗时为较长的时间;
还有隐藏的信息:2、两个人过河后,需要有一个人把船开回去;
要保证总时间尽可能小,这里有两个关键原则: 应该使得两个人时间差尽可能小(减少浪费),同时船回去的时间也尽可能小(减少等待)。

先不考虑空船回来的情况,如果有无限多的船,那么应该怎么分配?
答案: 每次从剩下的人选择耗时最长的人,再选择与他耗时最接近的人。

再考虑只有一条船的情况,假设有A/B/C三个人,并且耗时A<B<C。
那么最快的方案是:A+B去, A回;A+C去;总耗时是A+B+C。(因为A是最快的,让其他人来回时间只会更长, 减少等待的原则

如果有A/B/C/D四个人,且耗时A<B<C<D,这时有两种方案:
1、最快的来回送人方式,A+B去;A回;A+C去,A回;A+D去; 总耗时是B+C+D+2A (减少等待原则)
2、最快和次快一起送人方式,A+B先去,A回;C+D去,B回;A+B去;总耗时是 3B+D+A (减少浪费原则)
对比方案1、2的选择,我们发现差别仅在A+C和2B;
为何方案1、2差别里没有D?
因为D最终一定要过河,且耗时一定为D。

如果有A/B/C/D/E 5个人,且耗时A<B<C<D<E,这时如何抉择?
仍是从最慢的E看。(参考我们无限多船的情况)
方案1,减少等待;先送E过去,然后接着考虑四个人的情况;
方案2,减少浪费;先送E/D过去,然后接着考虑A/B/C三个人的情况;(4人的时候的方案2)

到5个人的时候,我们已经明显发了一个特点:问题是重复,且可以由子问题去解决。
根据5个人的情况,我们可以推出状态转移方程 dp[i] = min(dp[i - 1] + a[i] + a[1], dp[i - 2] + a[2] + a[1] + a[i] + a[2]);
再根据我们考虑的1、2、3、4个人的情况,我们分别可以算出dp[i]的初始化值:
dp[1] = a[1];
dp[2] = a[2];
dp[3] = a[2]+a[1]+a[3];
dp[4] = min(dp[3] + a[4] + a[1], dp[2]+a[2]+a[1]+a[4]+a[2]);

由上述的状态转移方程和初始化值,我们可以推出dp[n]的值。

贪心的学习过程,就是对自己的思考进行优化。
是把握已有信息,进行最优化决策。
这里还有一些收集的 贪心练习题 ,可以实践练习。
这里 还有在线分享,欢迎报名。

2. 算法09-贪心算法

贪心算法与动态规划的不同在于它对每个子问题的解决方案都作出选择,不能回退。动态规划则会保存以前的运算结果,并根据以前的结果对当前进行选择,有回退功能。

很多情况下,可以在某一步用贪心算法,全局再加一个搜索或递归或动态规划之类

贪心法可以解决一些最优化问题,如:求图中的最小生成树、求哈夫曼编码等。然而对于工程和生活中的问题,贪心法一般不能得到我们所要求的答案。
一单一个问题可以通过贪心法来解决,那么贪心法一般是解决这个问题的最好办法。由于贪心法的高效性以及其所求得的答案比较接近最优结果,贪心法也可以用作辅助算法或者直接解决一些要求结果不特别精确的问题。

当硬币可选集合固定:Coins = [20,10,5,1],求最少几个硬币可以拼出总数。比如total=36。
36 - 20 = 16 20
16 - 10 = 6 20 10
6 - 5 = 1 20 10 5
1 - 1 = 0 20 10 5 1
前面这些硬币依次是后面硬币的整数倍,可以用贪心法,能得到最优解,

贪心法的反例
非整除关系的硬币,可选集合:Coins = [10,9,1],求拼出总数为18最少需要几个硬币?
最优化算法:9 + 9 = 18 两个9
贪心算法:18 - 10 = 8 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 = 0 八个1

简单地说,问题能够分解成子问题来解决,子问题的最优解能递推到最终问题的最优解。这种子问题最优解成为最优子结构。
贪心算法与动态规划的不同在于它对每个子问题的最终方案都作出选择,不能回退。
动态规划则会保存以前的运算结果,并根据以前的结果对当前进行选择,有回退功能。

假设你是一位很棒的家长,想要给你的孩子们一些小饼干。但是,每个孩子最多只能给一块饼干。
对每个孩子 i,都有一个胃口值 g[i],这是能让孩子们满足胃口的饼干的最小尺寸;并且每块饼干 j,都有一个尺寸 s[j] 。如果 s[j] >= g[i],我们可以将这个饼干 j 分配给孩子 i ,这个孩子会得到满足。你的目标是尽可能满足越多数量的孩子,并输出这个最大数值。
示例 1:
输入: g = [1,2,3], s = [1,1]
输出: 1
解释:
你有三个孩子和两块小饼干,3个孩子的胃口值分别是:1,2,3。
虽然你有两块小饼干,由于他们的尺寸都是1,你只能让胃口值是1的孩子满足。
所以你应该输出1。
示例 2:
输入: g = [1,2], s = [1,2,3]
输出: 2
解释:
你有两个孩子和三块小饼干,2个孩子的胃口值分别是1,2。
你拥有的饼干数量和尺寸都足以让所有孩子满足。
所以你应该输出2.
提示:
1 <= g.length <= 3 * 104
0 <= s.length <= 3 * 104
1 <= g[i], s[j] <= 231 - 1

给定一个数组,它的第 i 个元素是一支给定股票第 i 天的价格。
设计一个算法来计算你所能获取的最大利润。你可以尽可能地完成更多的交易(多次买卖一支股票)。
注意:你不能同时参与多笔交易(你必须在再次购买前出售掉之前的股票)。
示例 1:
输入: [7,1,5,3,6,4]
输出: 7
解释: 在第 2 天(股票价格 = 1)的时候买入,在第 3 天(股票价格 = 5)的时候卖出, 这笔交易所能获得利润 = 5-1 = 4 。
随后,在第 4 天(股票价格 = 3)的时候买入,在第 5 天(股票价格 = 6)的时候卖出, 这笔交易所能获得利润 = 6-3 = 3 。
示例 2:
输入: [1,2,3,4,5]
输出: 4
解释: 在第 1 天(股票价格 = 1)的时候买入,在第 5 天 (股票价格 = 5)的时候卖出, 这笔交易所能获得利润 = 5-1 = 4 。
注意你不能在第 1 天和第 2 天接连购买股票,之后再将它们卖出。
因为这样属于同时参与了多笔交易,你必须在再次购买前出售掉之前的股票。
示例 3:
输入: [7,6,4,3,1]
输出: 0
解释: 在这种情况下, 没有交易完成, 所以最大利润为 0。

给定一个非负整数数组 nums ,你最初位于数组的 第一个下标 。
数组中的每个元素代表你在该位置可以跳跃的最大长度。
判断你是否能够到达最后一个下标。
示例 1:
输入:nums = [2,3,1,1,4]
输出:true
解释:可以先跳 1 步,从下标 0 到达下标 1, 然后再从下标 1 跳 3 步到达最后一个下标。
示例 2:
输入:nums = [3,2,1,0,4]
输出:false
解释:无论怎样,总会到达下标为 3 的位置。但该下标的最大跳跃长度是 0 , 所以永远不可能到达最后一个下标。

给定一个非负整数数组,你最初位于数组的第一个位置。
数组中的每个元素代表你在该位置可以跳跃的最大长度。
你的目标是使用最少的跳跃次数到达数组的最后一个位置。
示例:
输入: [2,3,1,1,4]
输出: 2
解释: 跳到最后一个位置的最小跳跃数是 2。
从下标为 0 跳到下标为 1 的位置,跳 1 步,然后跳 3 步到达数组的最后一个位置。
说明:
假设你总是可以到达数组的最后一个位置。
移动下标只要遇到当前覆盖最远距离的下标,直接步数加一,不考虑是不是终点的情况。
想要达到这样的效果,只要让移动下标,最大只能移动到nums.size - 2的地方就可以了。
因为当移动下标指向nums.size - 2时:
如果移动下标等于当前覆盖最大距离下标, 需要再走一步(即ans++),因为最后一步一定是可以到的终点。(题目假设总是可以到达数组的最后一个位置),如图:

如果移动下标不等于当前覆盖最大距离下标,说明当前覆盖最远距离就可以直接达到终点了,不需要再走一步。如图:

机器人在一个无限大小的 XY 网格平面上行走,从点 (0, 0) 处开始出发,面向北方。该机器人可以接收以下三种类型的命令 commands :
-2 :向左转 90 度
-1 :向右转 90 度
1 <= x <= 9 :向前移动 x 个单位长度
在网格上有一些格子被视为障碍物 obstacles 。第 i 个障碍物位于网格点 obstacles[i] = (xi, yi) 。
机器人无法走到障碍物上,它将会停留在障碍物的前一个网格方块上,但仍然可以继续尝试进行该路线的其余部分。
返回从原点到机器人所有经过的路径点(坐标为整数)的最大欧式距离的平方。(即,如果距离为 5 ,则返回 25 )
注意:
北表示 +Y 方向。
东表示 +X 方向。
南表示 -Y 方向。
西表示 -X 方向。
示例 1:
输入:commands = [4,-1,3], obstacles = []
输出:25
解释:
机器人开始位于 (0, 0):

在柠檬水摊上,每一杯柠檬水的售价为 5 美元。
顾客排队购买你的产品,(按账单 bills 支付的顺序)一次购买一杯。
每位顾客只买一杯柠檬水,然后向你付 5 美元、10 美元或 20 美元。你必须给每个顾客正确找零,也就是说净交易是每位顾客向你支付 5 美元。
注意,一开始你手头没有任何零钱。
如果你能给每位顾客正确找零,返回 true ,否则返回 false 。
示例 1:
输入:[5,5,5,10,20]
输出:true
解释:
前 3 位顾客那里,我们按顺序收取 3 张 5 美元的钞票。
第 4 位顾客那里,我们收取一张 10 美元的钞票,并返还 5 美元。
第 5 位顾客那里,我们找还一张 10 美元的钞票和一张 5 美元的钞票。
由于所有客户都得到了正确的找零,所以我们输出 true。
示例 2:
输入:[5,5,10]
输出:true
示例 3:
输入:[10,10]
输出:false
示例 4:
输入:[5,5,10,10,20]
输出:false
解释:
前 2 位顾客那里,我们按顺序收取 2 张 5 美元的钞票。
对于接下来的 2 位顾客,我们收取一张 10 美元的钞票,然后返还 5 美元。
对于最后一位顾客,我们无法退回 15 美元,因为我们现在只有两张 10 美元的钞票。
由于不是每位顾客都得到了正确的找零,所以答案是 false。

给定不同面额的硬币 coins 和一个总金额 amount。编写一个函数来计算可以凑成总金额所需的最少的硬币个数。如果没有任何一种硬币组合能组成总金额,返回 -1。
你可以认为每种硬币的数量是无限的。
示例 1:
输入:coins = [1, 2, 5], amount = 11
输出:3
解释:11 = 5 + 5 + 1
示例 2:
输入:coins = [2], amount = 3
输出:-1
示例 3:
输入:coins = [1], amount = 0
输出:0
示例 4:
输入:coins = [1], amount = 1
输出:1
示例 5:
输入:coins = [1], amount = 2
输出:2

3. 动态规划与贪心算法

很奇怪,动态规划和贪心算法也有很多相似之处:
相同点:
0,两者都用于求解最优化问题
1,两者都将待求解的问题分解成若干子问题
2,两者都需要确定最优子结构,才能决定是否可以使用该方法
3,两者都需要构造递归式

最优子结构:一个问题的最优解包含其子问题的最优解

不同点:
1,动态规划是自底向上计算,类似于将问题的规模从1开始,计算到n,其中i的求解依赖于i-1的结果;贪心算法则是自顶向下计算,选择当前一个最优解,然后再看剩余问题的最优解,一路剥削下去

2,动态规划比贪心算法更加细致精确,贪心算法有时候求不出最优解

贪心算法:面对规模为n的问题,每次选择当前情况的一个最优解,然后在看剩余的n-1规模的问题。

贪心原则:最能符合问题需求的选择

贪心算法需要论证
每次贪心选择的解组合在一起就是最优解 这个结论是否正确

4. Pascal贪心算法,求解答!

这道题用贪心不大好吧
记得老师以前说过
这种题用DP
这道题是最简单的01背包
我给你发个资料
那个,发不了啊,上传失败
你给我qq吧
P01: 01背包问题
题目
有N件物品和一个容量为V的背包。第i件物品的费用是c[i],价值是w[i]。求解将哪些物品装入背包可使这些物品的费用总和不超过背包容量,且价值总和最大。

基本思路
这是最基础的背包问题,特点是:每种物品仅有一件,可以选择放或不放。

用子问题定义状态:即f[i][v]表示前i件物品恰放入一个容量为v的背包可以获得的最大价值。则其状态转移方程便是:f[i][v]=max{f[i-1][v],f[i-1][v-c[i]]+w[i]}。

这个方程非常重要,基本上所有跟背包相关的问题的方程都是由它衍生出来的。所以有必要将它详细解释一下:“将前i件物品放入容量为v的背包中”这个子问题,若只考虑第i件物品的策略(放或不放),那么就可以转化为一个只牵扯前i-1件物品的问题。如果不放第i件物品,那么问题就转化为“前i-1件物品放入容量为v的背包中”;如果放第i件物品,那么问题就转化为“前i-1件物品放入剩下的容量为v-c[i]的背包中”,此时能获得的最大价值就是f [i-1][v-c[i]]再加上通过放入第i件物品获得的价值w[i]。

注意f[i][v]有意义当且仅当存在一个前i件物品的子集,其费用总和为v。所以按照这个方程递推完毕后,最终的答案并不一定是f[N] [V],而是f[N][0..V]的最大值。如果将状态的定义中的“恰”字去掉,在转移方程中就要再加入一项f[i][v-1],这样就可以保证f[N] [V]就是最后的答案。至于为什么这样就可以,由你自己来体会了。

优化空间复杂度
以上方法的时间和空间复杂度均为O(N*V),其中时间复杂度基本已经不能再优化了,但空间复杂度却可以优化到O(V)。

先考虑上面讲的基本思路如何实现,肯定是有一个主循环i=1..N,每次算出来二维数组f[i][0..V]的所有值。那么,如果只用一个数组f [0..V],能不能保证第i次循环结束后f[v]中表示的就是我们定义的状态f[i][v]呢?f[i][v]是由f[i-1][v]和f[i-1][v-c[i]]两个子问题递推而来,能否保证在推f[i][v]时(也即在第i次主循环中推f[v]时)能够得到f[i-1][v]和f[i-1][v-c[i]]的值呢?事实上,这要求在每次主循环中我们以v=V..0的顺序推f[v],这样才能保证推f[v]时f[v-c[i]]保存的是状态f[i -1][v-c[i]]的值。伪代码如下:

for i=1..N
for v=V..0
f[v]=max{f[v],f[v-c[i]]+w[i]};

其中的f[v]=max{f[v],f[v-c[i]]}一句恰就相当于我们的转移方程f[i][v]=max{f[i-1][v],f[i- 1][v-c[i]]},因为现在的f[v-c[i]]就相当于原来的f[i-1][v-c[i]]。如果将v的循环顺序从上面的逆序改成顺序的话,那么则成了f[i][v]由f[i][v-c[i]]推知,与本题意不符,但它却是另一个重要的背包问题P02最简捷的解决方案,故学习只用一维数组解01背包问题是十分必要的。

总结
01背包问题是最基本的背包问题,它包含了背包问题中设计状态、方程的最基本思想,另外,别的类型的背包问题往往也可以转换成01背包问题求解。故一定要仔细体会上面基本思路的得出方法,状态转移方程的意义,以及最后怎样优化的空间复杂度。

P02: 完全背包问题
题目
有N种物品和一个容量为V的背包,每种物品都有无限件可用。第i种物品的费用是c[i],价值是w[i]。求解将哪些物品装入背包可使这些物品的费用总和不超过背包容量,且价值总和最大。

基本思路
这个问题非常类似于01背包问题,所不同的是每种物品有无限件。也就是从每种物品的角度考虑,与它相关的策略已并非取或不取两种,而是有取0件、取1件、取2件……等很多种。如果仍然按照解01背包时的思路,令f[i][v]表示前i种物品恰放入一个容量为v的背包的最大权值。仍然可以按照每种物品不同的策略写出状态转移方程,像这样:f[i][v]=max{f[i-1][v-k*c[i]]+k*w[i]|0<=k*c[i]<=v}。这跟01背包问题一样有O(N*V)个状态需要求解,但求解每个状态的时间则不是常数了,求解状态f[i][v]的时间是O(v/c[i]),总的复杂度是超过O(VN)的。

将01背包问题的基本思路加以改进,得到了这样一个清晰的方法。这说明01背包问题的方程的确是很重要,可以推及其它类型的背包问题。但我们还是试图改进这个复杂度。

一个简单有效的优化
完全背包问题有一个很简单有效的优化,是这样的:若两件物品i、j满足c[i]<=c[j]且w[i]>=w[j],则将物品j去掉,不用考虑。这个优化的正确性显然:任何情况下都可将价值小费用高得j换成物美价廉的i,得到至少不会更差的方案。对于随机生成的数据,这个方法往往会大大减少物品的件数,从而加快速度。然而这个并不能改善最坏情况的复杂度,因为有可能特别设计的数据可以一件物品也去不掉。

转化为01背包问题求解
既然01背包问题是最基本的背包问题,那么我们可以考虑把完全背包问题转化为01背包问题来解。最简单的想法是,考虑到第i种物品最多选V/c [i]件,于是可以把第i种物品转化为V/c[i]件费用及价值均不变的物品,然后求解这个01背包问题。这样完全没有改进基本思路的时间复杂度,但这毕竟给了我们将完全背包问题转化为01背包问题的思路:将一种物品拆成多件物品。

更高效的转化方法是:把第i种物品拆成费用为c[i]*2^k、价值为w[i]*2^k的若干件物品,其中k满足c[i]*2^k<V。这是二进制的思想,因为不管最优策略选几件第i种物品,总可以表示成若干个2^k件物品的和。这样把每种物品拆成O(log(V/c[i]))件物品,是一个很大的改进。 但我们有更优的O(VN)的算法。 * O(VN)的算法 这个算法使用一维数组,先看伪代码: <pre class"example"> for i=1..N for v=0..Vf[v]=max{f[v],f[v-c[i]]+w[i]};

你会发现,这个伪代码与P01的伪代码只有v的循环次序不同而已。为什么这样一改就可行呢?首先想想为什么P01中要按照v=V..0的逆序来循环。这是因为要保证第i次循环中的状态f[i][v]是由状态f[i-1][v-c[i]]递推而来。换句话说,这正是为了保证每件物品只选一次,保证在考虑“选入第i件物品”这件策略时,依据的是一个绝无已经选入第i件物品的子结果f[i-1][v-c[i]]。而现在完全背包的特点恰是每种物品可选无限件,所以在考虑“加选一件第i种物品”这种策略时,却正需要一个可能已选入第i种物品的子结果f[i][v-c[i]],所以就可以并且必须采用v= 0..V的顺序循环。这就是这个简单的程序为何成立的道理。

这个算法也可以以另外的思路得出。例如,基本思路中的状态转移方程可以等价地变形成这种形式:f[i][v]=max{f[i-1][v],f[i][v-c[i]]+w[i]},将这个方程用一维数组实现,便得到了上面的伪代码。

总结
完全背包问题也是一个相当基础的背包问题,它有两个状态转移方程,分别在“基本思路”以及“O(VN)的算法“的小节中给出。希望你能够对这两个状态转移方程都仔细地体会,不仅记住,也要弄明白它们是怎么得出来的,最好能够自己想一种得到这些方程的方法。事实上,对每一道动态规划题目都思考其方程的意义以及如何得来,是加深对动态规划的理解、提高动态规划功力的好方法。

P03: 多重背包问题
题目
有N种物品和一个容量为V的背包。第i种物品最多有n[i]件可用,每件费用是c[i],价值是w[i]。求解将哪些物品装入背包可使这些物品的费用总和不超过背包容量,且价值总和最大。

基本算法
这题目和完全背包问题很类似。基本的方程只需将完全背包问题的方程略微一改即可,因为对于第i种物品有n[i]+1种策略:取0件,取1件……取n[i]件。令f[i][v]表示前i种物品恰放入一个容量为v的背包的最大权值,则:f[i][v]=max{f[i-1][v-k*c[i]]+k*w[i]|0<=k<=n[i]}。复杂度是O(V*∑n[i])。

转化为01背包问题
另一种好想好写的基本方法是转化为01背包求解:把第i种物品换成n[i]件01背包中的物品,则得到了物品数为∑n[i]的01背包问题,直接求解,复杂度仍然是O(V*∑n[i])。

但是我们期望将它转化为01背包问题之后能够像完全背包一样降低复杂度。仍然考虑二进制的思想,我们考虑把第i种物品换成若干件物品,使得原问题中第i种物品可取的每种策略——取0..n[i]件——均能等价于取若干件代换以后的物品。另外,取超过n[i]件的策略必不能出现。

方法是:将第i种物品分成若干件物品,其中每件物品有一个系数,这件物品的费用和价值均是原来的费用和价值乘以这个系数。使这些系数分别为 1,2,4,...,2^(k-1),n[i]-2^k+1,且k是满足n[i]-2^k+1>0的最大整数。例如,如果n[i]为13,就将这种物品分成系数分别为1,2,4,6的四件物品。

分成的这几件物品的系数和为n[i],表明不可能取多于n[i]件的第i种物品。另外这种方法也能保证对于0..n[i]间的每一个整数,均可以用若干个系数的和表示,这个证明可以分0..2^k-1和2^k..n[i]两段来分别讨论得出,并不难,希望你自己思考尝试一下。

这样就将第i种物品分成了O(log n[i])种物品,将原问题转化为了复杂度为O(V*∑logn[i])的01背包问题,是很大的改进。

O(VN)的算法
多重背包问题同样有O(VN)的算法。这个算法基于基本算法的状态转移方程,但应用单调队列的方法使每个状态的值可以以均摊O(1)的时间求解。由于用单调队列优化的DP已超出了NOIP的范围,故本文不再展开讲解。我最初了解到这个方法是在楼天成的“男人八题”幻灯片上。

小结
这里我们看到了将一个算法的复杂度由O(V*∑n[i])改进到O(V*∑log n[i])的过程,还知道了存在应用超出NOIP范围的知识的O(VN)算法。希望你特别注意“拆分物品”的思想和方法,自己证明一下它的正确性,并用尽量简洁的程序来实现。

P04: 混合三种背包问题
问题
如果将P01、P02、P03混合起来。也就是说,有的物品只可以取一次(01背包),有的物品可以取无限次(完全背包),有的物品可以取的次数有一个上限(多重背包)。应该怎么求解呢?

01背包与完全背包的混合
考虑到在P01和P02中最后给出的伪代码只有一处不同,故如果只有两类物品:一类物品只能取一次,另一类物品可以取无限次,那么只需在对每个物品应用转移方程时,根据物品的类别选用顺序或逆序的循环即可,复杂度是O(VN)。伪代码如下:

for i=1..N
if 第i件物品是01背包
for v=V..0
f[v]=max{f[v],f[v-c[i]]+w[i]};
else if 第i件物品是完全背包
for v=0..V
f[v]=max{f[v],f[v-c[i]]+w[i]};

再加上多重背包
如果再加上有的物品最多可以取有限次,那么原则上也可以给出O(VN)的解法:遇到多重背包类型的物品用单调队列解即可。但如果不考虑超过NOIP范围的算法的话,用P03中将每个这类物品分成O(log n[i])个01背包的物品的方法也已经很优了。

小结
有人说,困难的题目都是由简单的题目叠加而来的。这句话是否公理暂且存之不论,但它在本讲中已经得到了充分的体现。本来01背包、完全背包、多重背包都不是什么难题,但将它们简单地组合起来以后就得到了这样一道一定能吓倒不少人的题目。但只要基础扎实,领会三种基本背包问题的思想,就可以做到把困难的题目拆分成简单的题目来解决。
P05: 二维费用的背包问题
问题
二维费用的背包问题是指:对于每件物品,具有两种不同的费用;选择这件物品必须同时付出这两种代价;对于每种代价都有一个可付出的最大值(背包容量)。问怎样选择物品可以得到最大的价值。设这两种代价分别为代价1和代价2,第i件物品所需的两种代价分别为a[i]和b[i]。两种代价可付出的最大值(两种背包容量)分别为V和U。物品的价值为w[i]。

算法
费用加了一维,只需状态也加一维即可。设f[i][v][u]表示前i件物品付出两种代价分别为v和u时可获得的最大价值。状态转移方程就是:f[i][v][u]=max{f[i-1][v][u],f[i-1][v-a[i]][u-b[i]]+w[i]}。如前述方法,可以只使用二维的数组:当每件物品只可以取一次时变量v和u采用顺序的循环,当物品有如完全背包问题时采用逆序的循环。当物品有如多重背包问题时拆分物品。

物品总个数的限制
有时,“二维费用”的条件是以这样一种隐含的方式给出的:最多只能取M件物品。这事实上相当于每件物品多了一种“件数”的费用,每个物品的件数费用均为1,可以付出的最大件数费用为M。换句话说,设f[v][m]表示付出费用v、最多选m件时可得到的最大价值,则根据物品的类型(01、完全、多重)用不同的方法循环更新,最后在f[0..V][0..M]范围内寻找答案。

另外,如果要求“恰取M件物品”,则在f[0..V][M]范围内寻找答案。

小结
事实上,当发现由熟悉的动态规划题目变形得来的题目时,在原来的状态中加一纬以满足新的限制是一种比较通用的方法。希望你能从本讲中初步体会到这种方法。

P06: 分组的背包问题
问题
有N件物品和一个容量为V的背包。第i件物品的费用是c[i],价值是w[i]。这些物品被划分为若干组,每组中的物品互相冲突,最多选一件。求解将哪些物品装入背包可使这些物品的费用总和不超过背包容量,且价值总和最大。

算法
这个问题变成了每组物品有若干种策略:是选择本组的某一件,还是一件都不选。也就是说设f[k][v]表示前k组物品花费费用v能取得的最大权值,则有f[k][v]=max{f[k-1][v],f[k-1][v-c[i]]+w[i]|物品i属于第k组}。

使用一维数组的伪代码如下:

for 所有的组k
for 所有的i属于组k
for v=V..0
f[v]=max{f[v],f[v-c[i]]+w[i]}

另外,显然可以对每组中的物品应用P02中“一个简单有效的优化”。

小结
分组的背包问题将彼此互斥的若干物品称为一个组,这建立了一个很好的模型。不少背包问题的变形都可以转化为分组的背包问题(例如P07),由分组的背包问题进一步可定义“泛化物品”的概念,十分有利于解题。

P07: 有依赖的背包问题
简化的问题
这种背包问题的物品间存在某种“依赖”的关系。也就是说,i依赖于j,表示若选物品i,则必须选物品j。为了简化起见,我们先设没有某个物品既依赖于别的物品,又被别的物品所依赖;另外,没有某件物品同时依赖多件物品。

算法
这个问题由NOIP2006金明的预算方案一题扩展而来。遵从该题的提法,将不依赖于别的物品的物品称为“主件”,依赖于某主件的物品称为“附件”。由这个问题的简化条件可知所有的物品由若干主件和依赖于每个主件的一个附件集合组成。

按照背包问题的一般思路,仅考虑一个主件和它的附件集合。可是,可用的策略非常多,包括:一个也不选,仅选择主件,选择主件后再选择一个附件,选择主件后再选择两个附件……无法用状态转移方程来表示如此多的策略。(事实上,设有n个附件,则策略有2^n+1个,为指数级。)

考虑到所有这些策略都是互斥的(也就是说,你只能选择一种策略),所以一个主件和它的附件集合实际上对应于P06中的一个物品组,每个选择了主件又选择了若干个附件的策略对应于这个物品组中的一个物品,其费用和价值都是这个策略中的物品的值的和。但仅仅是这一步转化并不能给出一个好的算法,因为物品组中的物品还是像原问题的策略一样多。

再考虑P06中的一句话: 可以对每组中的物品应用P02中“一个简单有效的优化”。这提示我们,对于一个物品组中的物品,所有费用相同的物品只留一个价值最大的,不影响结果。所以,我们可以对主件i的“附件集合”先进行一次01背包,得到费用依次为0..V-c[i]所有这些值时相应的最大价值f'[0..V-c[i]]。那么这个主件及它的附件集合相当于V-c[i]+1个物品的物品组,其中费用为c[i]+k的物品的价值为f'[k]+w[i]。也就是说原来指数级的策略中有很多策略都是冗余的,通过一次01背包后,将主件i转化为 V-c[i]+1个物品的物品组,就可以直接应用P06的算法解决问题了。

更一般的问题
更一般的问题是:依赖关系以图论中“森林”的形式给出(森林即多叉树的集合),也就是说,主件的附件仍然可以具有自己的附件集合,限制只是每个物品最多只依赖于一个物品(只有一个主件)且不出现循环依赖。

解决这个问题仍然可以用将每个主件及其附件集合转化为物品组的方式。唯一不同的是,由于附件可能还有附件,就不能将每个附件都看作一个一般的01 背包中的物品了。若这个附件也有附件集合,则它必定要被先转化为物品组,然后用分组的背包问题解出主件及其附件集合所对应的附件组中各个费用的附件所对应的价值。

事实上,这是一种树形DP,其特点是每个父节点都需要对它的各个儿子的属性进行一次DP以求得自己的相关属性。这已经触及到了“泛化物品”的思想。看完P08后,你会发现这个“依赖关系树”每一个子树都等价于一件泛化物品,求某节点为根的子树对应的泛化物品相当于求其所有儿子的对应的泛化物品之和。

小结
NOIP2006的那道背包问题我做得很失败,写了上百行的代码,却一分未得。后来我通过思考发现通过引入“物品组”和“依赖”的概念可以加深对这题的理解,还可以解决它的推广问题。用物品组的思想考虑那题中极其特殊的依赖关系:物品不能既作主件又作附件,每个主件最多有两个附件,可以发现一个主件和它的两个附件等价于一个由四个物品组成的物品组,这便揭示了问题的某种本质。

我想说:失败不是什么丢人的事情,从失败中全无收获才是。

P08: 泛化物品
定义
考虑这样一种物品,它并没有固定的费用和价值,而是它的价值随着你分配给它的费用而变化。这就是泛化物品的概念。

更严格的定义之。在背包容量为V的背包问题中,泛化物品是一个定义域为0..V中的整数的函数h,当分配给它的费用为v时,能得到的价值就是h(v)。

这个定义有一点点抽象,另一种理解是一个泛化物品就是一个数组h[0..V],给它费用v,可得到价值h[V]。

一个费用为c价值为w的物品,如果它是01背包中的物品,那么把它看成泛化物品,它就是除了h(c)=w其它函数值都为0的一个函数。如果它是完全背包中的物品,那么它可以看成这样一个函数,仅当v被c整除时有h(v)=v/c*w,其它函数值均为0。如果它是多重背包中重复次数最多为n的物品,那么它对应的泛化物品的函数有h(v)=v/c*w仅当v被c整除且v/c<=n,其它情况函数值均为0。

一个物品组可以看作一个泛化物品h。对于一个0..V中的v,若物品组中不存在费用为v的的物品,则h(v)=0,否则h(v)为所有费用为v的物品的最大价值。P07中每个主件及其附件集合等价于一个物品组,自然也可看作一个泛化物品。

泛化物品的和
如果面对两个泛化物品h和l,要用给定的费用从这两个泛化物品中得到最大的价值,怎么求呢?事实上,对于一个给定的费用v,只需枚举将这个费用如何分配给两个泛化物品就可以了。同样的,对于0..V的每一个整数v,可以求得费用v分配到h和l中的最大价值f(v)。也即f(v)=max{h(k)+l(v-k)|0<=k<=v}。可以看到,f也是一个由泛化物品h和l决定的定义域为0..V的函数,也就是说,f是一个由泛化物品h和 l决定的泛化物品。

由此可以定义泛化物品的和:h、l都是泛化物品,若泛化物品f满足f(v)=max{h(k)+l(v-k)|0<=k<=v},则称f是h与l的和,即f=h+l。这个运算的时间复杂度是O(V^2)。

泛化物品的定义表明:在一个背包问题中,若将两个泛化物品代以它们的和,不影响问题的答案。事实上,对于其中的物品都是泛化物品的背包问题,求它的答案的过程也就是求所有这些泛化物品之和的过程。设此和为s,则答案就是s[0..V]中的最大值。

背包问题的泛化物品
一个背包问题中,可能会给出很多条件,包括每种物品的费用、价值等属性,物品之间的分组、依赖等关系等。但肯定能将问题对应于某个泛化物品。也就是说,给定了所有条件以后,就可以对每个非负整数v求得:若背包容量为v,将物品装入背包可得到的最大价值是多少,这可以认为是定义在非负整数集上的一件泛化物品。这个泛化物品——或者说问题所对应的一个定义域为非负整数的函数——包含了关于问题本身的高度浓缩的信息。一般而言,求得这个泛化物品的一个子域(例如0..V)的值之后,就可以根据这个函数的取值得到背包问题的最终答案。

综上所述,一般而言,求解背包问题,即求解这个问题所对应的一个函数,即该问题的泛化物品。而求解某个泛化物品的一种方法就是将它表示为若干泛化物品的和然后求之。

小结
本讲可以说都是我自己的原创思想。具体来说,是我在学习函数式编程的 Scheme 语言时,用函数编程的眼光审视各类背包问题得出的理论。这一讲真的很抽象,也许在“模型的抽象程度”这一方面已经超出了NOIP的要求,所以暂且看不懂也没关系。相信随着你的OI之路逐渐延伸,有一天你会理解的。

我想说:“思考”是一个OIer最重要的品质。简单的问题,深入思考以后,也能发现更多。

P09: 背包问题问法的变化
以上涉及的各种背包问题都是要求在背包容量(费用)的限制下求可以取到的最大价值,但背包问题还有很多种灵活的问法,在这里值得提一下。但是我认为,只要深入理解了求背包问题最大价值的方法,即使问法变化了,也是不难想出算法的。

例如,求解最多可以放多少件物品或者最多可以装满多少背包的空间。这都可以根据具体问题利用前面的方程求出所有状态的值(f数组)之后得到。

还有,如果要求的是“总价值最小”“总件数最小”,只需简单的将上面的状态转移方程中的max改成min即可。

5. 是不是所有的贪心题理论上都可以用动态规划做

贪心算法:
所作出的每一步贪心决策都是无法改变的,下一步的最优解是由上一步的最优解直接推导出来的;
也就是说,上一步的最优解就是组成下一步最优解的一部分,所以贪心算法是不会保留上一步之前得出的解的

动态规划算法:
全局的最优解是包含某个局部最优解的,但这个局部最优解不一定就是上一步的最优解,所以动态规划算法是需要保留所有之前所得出的最优解的;
也就是说,已经得到的所有最优解中,包含了推导出下一步最优解的信息,不同于贪心的是我们并不确定到底是那一个,所以计算过程中是需要保留所有得出的子最优解的

都是通过求解子最优解来得出全剧最优解的算法,但可以看出贪心算法的适用范围更小,动态规划的适用范围更大,所以理论上,动态规划算法是可以解决贪心算法能解决的问题的

6. 贪心算法——活动安排问题

•贪心算法的特点是每个阶段所作的选择都是局部最优的,它期望通过所作的局部最优选择产生出一个全局最优解。

贪心与动态规划: 与动态规划不同的是,贪心是 鼠目寸光 ;动态规划是 统揽全局

–动态规划:每个阶段产生的都是全局最优解

•第i阶段的“全局”: 问题空间为(a1, … , ai)

•第i阶段的“全局最优解”:问题空间为 (a1, … , ai)时的最优解

–贪心:每个阶段产生的都是局部最优解

•第i阶段的“局部”:问题空间为按照贪心策略中的优先级排好序的第i个输入ai

•第i阶段的“局部最优解”: ai

•贪心选择性质:所求问题的全局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。

–这是贪心算法与动态规划算法的主要区别。

•最优子结构性质:当原问题的最优解包含子问题的最优解时,称此问题具有最优子结构性质。

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

•要求高效地安排一系列争用某一公共资源(例如会议室)的活动(使尽可能多的活动能兼容使用公共资源)。

–设有n个活动的集合E={e1,e2…en},其中每个活动都要求使用同一资源,而在同一时间内只有一个活动能使用这一资源。每个活动i都有一个要求使用该资源的起始时间si和一个结束时间fi,且si<fi。如果选择了活动i,则它在半开时间区间[si,fi)内占用资源。

–若区间[si,fi)与区间[sj,fj)不相交,则称ei和ej是相容的。也就是说,当si≥fj或sj≥fi时,活动i和活动j相容。

•活动安排问题就是要在所给的活动集合中选出最大的相容活动子集合。

7. (三) 贪心算法

贪心算法的思想非常简单且算法效率很高,在一些问题的解决上有着明显的优势。

假设有3种硬币,面值分别为1元、5角、1角。这3种硬币各自的数量不限,现在要找给顾客3元6角钱,请问怎样找才能使得找给顾客的硬币数量最少呢?

你也许会不假思索的说出答案:找给顾客3枚1元硬币,1枚5角硬币,1枚1角硬币。其实也可以找给顾客7枚5角硬币,1枚1角硬币。可是在这里不符合题意。在这里,我们下意识地应用了所谓贪心算法解决这个问题。

所谓贪心算法,就是 总是做出在当前看来是最好的选择(未从整体考虑) 的一种方法。以上述的题目为例,为了找给顾客的硬币数量最少,在选择硬币的面值时,当然是尽可能地选择面值大的硬币。因此,下意识地遵循了以下方案:
(1)首先找出一个面值不超过3元6角的最大硬币,即1元硬币。
(2)然后从3元6角中减去1元,得到2元6角,再找出一个面值不超过2元6角的最大硬币,即1元硬币。
(3)然后从2元6角中减去1元,得到1元6角,再找出一个面值不超过1元6角的最大硬币,即1元硬币。
(4)然后从1元6角中减去1元,得到6角,再找出一个面值不超过6角的最大硬币,即5角硬币。
(5)然后从6角中减去5角,得到1角,再找出一个面值不超过1角的最大硬币,即1角硬币。
(6)找零钱的过程结束。
这个过程就是一个典型的贪心算法思想。

贪心策略总是做出在当前看来是最优的选择,也就是说贪心策略并不是从整体上加以考虑,它所做出的选择只是在某种意义上的 局部最优解 ,而许多问题自身的特性决定了该问题运用贪心策略可以得到最优解或较优解。(注:贪心算法不是对所有问题都能得到整体最优解,但对范围相当广泛的许多问题它能产生整体最优解。但其解必然是最优解的很好近似解。)

贪心算法没有固定的算法框架,算法设计的关键是 贪心策略的选择 。选择的贪心策略必须具备无后效性。

贪心策略 适用的前提 是:

严格意义上讲,要使用贪心算法求解问题,该问题应当具备以下性质:

注意 :对于一个给定的问题,往往可能有好几种量度标准。初看起来,这些量度标准似乎都是可取的,但实际上,用其中的大多数量度标准作贪婪处理所得到该量度意义下的最优解并不是问题的最优解,而是次优解。

因此, 选择能产生问题最优解的最优量度标准是使用贪婪算法的核心 。

实际上,贪心算法 适用的情况很少 。一般,对一个问题分析是否适用于贪心算法,可以先选择该问题下的几个实际数据进行分析,就可做出判断。

最优解问题大部分都可以拆分成一个个的子问题(多阶段决策问题),把解空间的遍历视作对子问题树的遍历,则以某种形式对树整个的遍历一遍就可以求出最优解,大部分情况下这是不可行的。

贪心算法和动态规划本质上是对子问题树的一种修剪,两种算法要求问题都具有的一个性质就是子问题最优性(组成最优解的每一个子问题的解,对于这个子问题本身肯定也是最优的)。

动态规划方法代表了这一类问题的一般解法, 自底向上 构造子问题的解,对每一个子树的根,求出下面每一个叶子的值,并且以其中的最优值作为自身的值,其它的值舍弃。

而贪心算法是动态规划方法的一个特例,可以证明每一个子树的根的值不取决于下面叶子的值,而只取决于当前问题的状况。换句话说,不需要知道一个节点所有子树的情况,就可以求出这个节点的值。由于贪心算法的这个特性,它对解空间树的遍历不需要自底向上,而只需要自根开始( 自顶向下 ),选择最优的路,一直走到底就可以了。

一个问题分为多个阶段,每个阶段可以有n种决策,各个阶段的决策构成一个决策序列,称为一个策略。
这两种算法都是选择性算法,在进行决策的选择时:

前提是这个问题得具有贪心选择性质,需要证明(数学归纳法(第一、第二)),如果不满足那就只能使用动态规划解决。(一旦证明贪心选择性质,用贪心算法解决问题比动态规划具有更低的时间复杂度和空间复杂度。)

从范畴上来看:
Greedy ⊂ DP ⊂ Searching (贪心是动规的特例)
即所有的贪心算法问题都能用DP求解,更可以归结为一个搜索问题,反之不成立。

贪心算法所作的选择可以依赖于以往所作过的选择,但决不依赖于将来的选择,也不依赖于子问题的解,这使得算法在编码和执行的过程中都有着一定的速度优势。如果一个问题可以同时用几种方法解决,贪心算法应该是最好的选择之一。但是贪心算法并不是对所有的问题都能得到整体最优解或最理想的近似解,与回溯法等比较,它的适用区域相对狭窄许多,因此正确地判断它的应用时机十分重要。

一步一步地进行,常 以当前情况为基础根据某个优化测度作最优选择,而不考虑各种可能的整体情况 ,它省去了为找最优解要穷尽所有可能而必须耗费的大量时间。

它采用 自顶向下 ,以 迭代 的方法做出相继的贪心选择,每做一次贪心选择就将所求问题简化为一个规模更小的子问题,通过每一步贪心选择,可得到问题的一个最优解,虽然每一步上都要保证能获得局部最优解,但由此产生的全局解有时不一定是最优的,所以 贪心法不需要回溯 。

【问题描述】
马的遍历问题。在8×8方格的棋盘上,从任意指定方格出发,为马寻找一条走遍棋盘每一格并且只经过一次的一条最短路径。

【贪心算法】
其实马踏棋盘的问题很早就有人提出,且早在1823年,J.C.Warnsdorff就提出了一个有名的算法。在每个结点对其子结点进行选取时,优先选择‘出口’最小的进行搜索,‘出口’的意思是在这些子结点中它们的可行子结点的个数,也就是‘孙子’结点越少的越优先跳,为什么要这样选取,这是一种局部调整最优的做法,如果优先选择出口多的子结点,那出口少的子结点就会越来越多,很可能出现‘死’结点(顾名思义就是没有出口又没有跳过的结点),这样对下面的搜索纯粹是徒劳,这样会浪费很多无用的时间,反过来如果每次都优先选择出口少的结点跳,那出口少的结点就会越来越少,这样跳成功的机会就更大一些。

8. 活动选择(贪心算法)

参考: 【算法导论】贪心算法之活动选择问题

贪心算法(Greedy Algorithm)在每一步都做出当时看起来最佳的选择,寄希望这样的选择能导致全局最优解。
这种算法并不能保证得到最优解,但对很多问题确实可以求得最优解。

假定有一个n个活动的集合S={a1,a2,a3,...,an},这些活动 使用同一个资源 ,而这个资源在某个时刻 只能给一个活动使用 。每个活动都有一个 开始时间si 和一个 结束时间fi ,其中0<=si<fi<=∞。
如果活动ai被选中,则此活动发生在 半开区间[si,fi) 中。
若两个活动ai和aj的 时间区间不重叠 ,则称这两个活动是 兼容

在活动选择问题中,我们希望选出一个最大兼容活动集。
假定活动已经按照 结束时间递增顺序 排好序
f1<=f2<=f3<=...<=fn

考虑如下例子:

可以看到,{a3,a9,a11}是由相互兼容的活动组成。但它不是一个最大集,{a1,a4,a8,a11}更大,是一个最大集。(最大集不唯一)

假设:Sij表示在ai结束之后,在aj开始之前的活动的 集合 。Aij表示Sij的一个最大相互兼容的活动子集。
那么只要Sij非空,则Aij至少会包含一个活动,假设为ak。那么可以将Aij分解为:Aij = Aik+ak+Akj。
假设Cij为Aij的大小,那么有Cij=cik+ckj+1。
于是,我们可以利用动态规划得到这个问题的递归解

我们当然可以利用动态规划自底向上地求解这个问题,但是我们可以利用贪心算法更快地求解问题答案。

我们选择活动 结束时间最早 的那个活动,这样能够给其他活动尽可能的腾出多余的时间,而后每一步都在剩下的活动中选取最早的活动,这样就可以获得一个最优解。

为什么贪心选择——最早结束的活动ai——总是最优解的一部分呢?

假设Aij是Sij的某个最大兼容活动集,假设Aij中,最早结束的活动是an。(an是最优解中最早结束的,不一定是原先活动中最早结束的)我们要证明我们选择的a1(原先活动集中最早结束的)也在最优解中。
分两种情况:

①如果an=a1,则得证

②如果an不等于a1,则an的结束时间一定会 晚于 a1的结束时间,我们用a1去 替换 Aij中的an,于是得到A',由于a1比an结束的早,而Aij中的其他活动都比an的结束时间开始 的要晚,所以A'中的 其他活动 都与a1不相交 ,所以A'中的所有活动是兼容的,所以A`也是Sij的一个最大兼容活动集。
(简单说,就是用a1 替换 an,得到另一个解A',由于a1最早结束,当然与其他活动不相交,于是A'也兼容且个数和A一样,所以A'也是最优解)

于是证明了命题。

通过以上分析,我们可以反复地选择最先结束的活动,保留于此活动兼容的活动,重复执行,直到不再有剩余活动。
贪心算法通常是 自顶向下 地设计:做出一个选择,然后求解剩下的那个子问题

为了方便初始化,我们添加一个虚拟活动a0,其结束时间为f0=0

由于我们之前就已经将活动按结束时间排好序,每一次找元素都只对元素访问一次,所以贪心算法的时间复杂度是大theta(n)

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