贪心算法与动态规划的比较

贪心算法与动态规划的比较【摘要】介绍了计算机算法设计的两种常用算法思想：贪心算法与动态规划算法。通过介绍两种算法思想的基本原理，比较两种算法的联系和区别。通过背包问题对比了两种算法的使用特点和使用范围。【关键字】动态规划；贪心算法；背包问题1、引言为了满足人们对大数据量信息处理的渴望，为解决各种实际问题，计算机算法学得到了飞速的发展，线性规划、动态规划、贪心策略等一系列运筹学模型纷纷运用到计算机算法学中，产生了解决各种现实问题的有效算法。虽然设计一个好的求解算法更像是一门艺术而不像是技术，但仍然存在一些行之有效的、能够用于解决许多问题的算法设计方法，你可以使用这些方法来设计算法，并观察这些算法是如何工作的。一般情况下，为了获得较好的性能，必须对算法进行细致的调整。但是在某些情况下，算法经过调整之后性能仍无法达到要求，这时就必须寻求另外的方法来求解该问题。本文针对部分背包问题和0/1背包问题进行分析，介绍贪心算法和动态规划算法的区别。2、背包问题的提出给定n种物品(每种物品仅有一件)和一个背包。物品i的重量是wi，其价值为pi，背包的容量为M。问应如何选择物品装入背包，使得装入背包中的物品的总价值最大,每件物品i的装入情况为xi，得到的效益是pi*xi。⑴部分背包问题。在选择物品时，可以将物品分割为部分装入背包，即0≤xi≤1(贪心算法)。⑵0/1背包问题。和部分背包问题相似，但是在选择物品装入时要么不装，要么全装入，即xi=1或0。(动态规划算法)。3、贪心算法3.1贪心算法的基本要素能够使用贪心算法的许多例子都是最优化问题，每个最优化问题都包含一组限制条件和一个优化函数，符合限制条件的问题求解方案称为可行解；使优化函数取得最佳值的可行解称为最优解。此类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(这是贪心算法与动态规划的主要区别)。3.2贪心策略的定义贪心策略是指从问题的初始状态出发，通过若干次的贪心选择而得出最优值(或较优解)的一种解题方法。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。)采用自顶向下的、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。对于一个具体问题，要确定它是否具有贪心选择的性质，我们必须证明每一步所作的贪心选择最终导致问题的最优解。通常可以首先证明问题的一个整体最优解，是从贪心选择开始的，而且作了贪心选择后，原问题简化为一个规模更小的类似子问题。然后用数学归纳法证明，通过每一步贪心选择，最终可得到问题的一个整体最优解。3、3贪心算法的实际应用例子⑴贪心法的基本思路。从问题的某一个初始解出发逐步逼近给定的目标，以尽可能快地求得更好的解。当达到某算法中的某一步不能再继续前进时，算法停止。⑵该算法存在的问题。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；只能求满足某些约束条件的可行解的范围。⑶实现该算法的过程。从问题的某一初始解出发；当能朝给定总目标前进一步时，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。⑷背包问题分析实例（部分背包问题）。有一个背包,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。其重量和价值如下。物品ABCDEFG重量35306050401025价值10403050354030其中目标函ip最大。约束条件是装入的物品总重量不超过背包容量：iwM（M=150)根据贪心的策略，每次选取单位容量价值最大的物品,成为解本题的策略。可以证明得到最优解为x=[0，1，0，1，7/8，1，1]总价值为：190.6。3、4贪心算法不适于解0/1背包问题0/1背包问题有好几种贪婪策略，每种贪婪策略都要多个步骤来完成，每一步都利用贪婪准则选择一个物品装入背包。一种贪婪准则为：从剩余的物品中，选出可以装入背包的价值最大的物品，利用这种规则，价值最大的物品首先被装入（假设有足够容量），然后是下一个价值最大的物品，如此继续下去。这种策略不能保证得到最优解。例如，考虑n=2，w=[100，10，10]，p=[20，15，15]，c=105。当利用价值贪婪准则时，获得的解为x=[1，0，0]，这种方案的总价值为20。而最优解为[0，1，1]，其总价值为30。另一种方案是重量贪婪准则：从剩下的物品中选择可装入背包的重量最小的物品。虽然这种规则对于前面的例子能产生最优解，但在一般情况下则不一定能得到最优解。考虑n=2，w=[10，20]，p=[5，100]，c=25。当利用重量贪婪策略时，获得的解为x=[1，0]，比最优解[0，1]要差。还可以利用另一方案，价值密度pi/wi贪婪算法，这种选择准则为：从剩余物品中选择可装入包的pi/wi值最大的物品，这种策略也不能保证得到最优解。4、动态规划4、1动态规划的定义动态规划是运筹学的一个分支，与其说它是一种算法，不如说它是一种思维方法更贴切。因为动态规划没有固定的框架，即便是应用到同一道题上，也可以建立多种形式的求解算法。许多隐式图上的算法，例如求单源最短路径的Dijkstra算法、广度优先搜索算法，都渗透着动态规划的思想。还有许多数学问题，表面上看起来与动态规划风马牛不相及，但是其求解思想与动态规划是完全一致的。因此，动态规划不像深度或广度优先那样可以提供一套模式，需要的时候，取来就可以使用。它必须对具体问题进行具体分析、处理，需要丰富的想象力去建立模型，需要创造性的思想去求解。4、2动态规划适于解决的问题适用动态规划的问题必须满足最优化原理和无后效性。⑴状态必须满足最优化原理。作为整个过程的最优策略具有如下性质：无论过去的状态和决策如何，对前面的决策所形成的当前状态而言，余下的诸决策必须构成最优策略。可以通俗地理解为子问题的局部最优将导致整个问题的全局最优，即问题具有最优子结构的性质，也就是说一个问题的最优解只取决于其子问题的最优解，非最优解对问题的求解没有影响。⑵状态必须满足无后效性。所谓无后效性是指：过去的决策只能通过当前状态影响未来的发展，当前的状态是对以往决策的总结。它说明动态规划适于解决当前决策和过去状态无关的问题。状态出现在策略的任何一个位置，它的地位都是相同的，都可以实施同样的决策，这就是无后效性的内涵。4、3动态规划问题的特征动态规划算法的有效性依赖于问题本身所具有的两个重要性质：最优子结构性质和子问题重叠性质。①最优子结构。当问题的最优解包含了其子问题的最优解时，称该问题具有最优子结构性质。②重叠子问题。在用递归算法自顶向下解问题时，每次产生的子问题并不总是新问题，有些子问题被反复计算多次。动态规划算法正是利用了这种子问题的重叠性质，对每一个子问题只解一次，而后将其解保存在一个表格中，在以后尽可能多地利用这些子问题的解。4、4设计动态规划法的步骤⑴找出最优解的性质，并刻画其结构特征；⑵递归地定义最优值(写出动态规划方程)；⑶以自底向上的方式计算出最优值；⑷根据计算最优值时得到的信息，构造一个最优解。步骤1-3是动态规划算法的基本步骤。在只需求出最优值的情形下，步骤4可以省略，步骤3中记录的信息也较少；若需要求出问题的一个最优解，则必须执行步骤4，步骤3中记录的信息必须足够多，以便构造最优解。4、5动态规划算法[0/1背包问题]在该问题中需要决定nxx,......,1的值。假设按i=1，2，......，n的次序来确定xi的值。如果置x1=0，则问题转变为相对于其余物品（即物品2，3，......，n），背包容量仍为c的背包问题。若置x1=1，问题就变为关于最大背包容量为c-w1的问题。现设rÎ；{c-w1}为剩余的背包容量。在第一次决策之后，剩下的问题便是考虑背包容量为r时的决策。不管xi是0或是1，[x2，......，xn]必须是第一次决策之后的一个最优方案，如果不是，则会有一个更好的方案[y2，......，yn]，因而[x1，y2，......，yn]是一个更好的方案。假设n=3，w=[100，14，10]，p=[20，18，15]，c=116。若设x1==1，则在本次决策之后，可用的背包容量为r=116-100=16。[x2，x3]=[0，1]符合容量限制的条件,所得值为15，但因为[x2，x3]=[1，0]同样符合容量条件且所得值为18，因此[x2，x3]=[0，1]并非最优策略。即x=[1，0，1]可改进为x=[1，1，0]。若设x1=0，则对于剩下的两种物品而言，容量限制条件为116。总之，如果子问题的结果[x2，x3]不是剩余情况下的一个最优解，则[x1，x2，x3]也不会是总体的最优解。5、小结和贪心算法一样，在动态规划中，可将一个问题的解决方案视为一系列决策的结果。不同的是，在贪婪算法中，每用一次贪心准则便做出一个不可撤回的决策，而在动态规划中，还要考察每个最优决策序列中是否包含一个最优子序列。当一个问题具有最优子结构时，我们会想到用动态规划法去解它，但是有些问题存在着更简单、有效的方法，只要我们总是做出当前看来最好的选择就可以了。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。参考文献：[1]余祥宣,崔国华,邹海明.计算机算法基础(第二版)[M].华中科技大学出版社,1998[2]苏德富,钟诚.计算机算法设计与分析[M].电子工业出版社,2001：[3]M.H.ALSUWAIYEL算法设计技巧与分析[M].电子工业出版社(影印版)[4]朱洪.算法设计和分析[M].上海科学技术文献出版社，1989：[5]余祥宣,崔国华,邹海明.计算机算法基础(第二版)[M].华中科技大学出版社,1998