本文主要是介绍南开大学软件学院2021年秋季学期研究生算法课程(复习)算法设计思想和状态空间,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!
可计算性与可计算问题
- 判定问题Decision problem:判断一个问题的解是否存在
- 优化问题Optimization problem:找到问题的最优解
- 组合优化问题
- 连续优化问题
一个重要的转化:任何优化问题都可以表示为一个判定问题
算法
求解问题的一系列数学或计算机操作(输入➡算法➡输出)
状态与状态空间
状态State:对可计算问题的一种建模
状态转移State transition:问题中不同状态的转化关系
状态空间State space:状态(点)和状态转移(边)构造的图
状态变量State variable:求解问题过程中,对于一系列状态变化的变量建模
价值函数Cost function:用以衡量当前状态的一个状态到值的映射,该值会伴随着状态转移而更新,该值可以是:布尔值,整数,实数等等
翻转开关问题:
有一个4✖4的灯阵,每个灯上均有一个开关,每次拨动开关都会使当前灯和相邻灯的开关状态改变。请设计某种算法,判断给出某种开关图案是否可以通过操作开关使全部灯都打开?
状态压缩State compression,State encoding,Bitmask
- 利用二进制等,压缩状态表示时的存储空间占用(比如上面这个4✖4矩阵)
- 利用位运算等技巧,加速状态转移计算时的时间消耗(比如乘法运算变成位运算)
- 对于上例,只要16个二进制位即可,但是转移会很复杂
状态哈希Hashing
可计算问题的本质
- 判别问题:判断初始状态与目标状态是否可达
- 优化问题:计算从初始状态转移至目标状态的最优价值
搜索算法
深度优先搜索DFS
- 应用场景:判断是否存在解或对所有可能性计数
- 实现:递归或栈
- 主要瓶颈:运行时间和递归额外开销
广度优先搜索BFS
- 应用场景:计算到达目标状态的最少转移次数
- 实现:队列
- 主要瓶颈:内存消耗
搜索算法
埃及分数问题:
古埃及数学的分数表示十分特殊,不允许分子不为1的存在,比如2/3在古埃及数学中只能表示为1/2+1/6。请设计算法,对给定真分数a/b,请计算满足以下条件的埃及分数表示:
- 和式中的分数互不相同;
- 和式中的分数个数最少;
- 满足条件2的情况下,保留和式中最小分数最大的解。例如,19/45=1/5+1/6+1/18。
- 如何定义状态?即需被分解位和式的分数
- 深度优先搜索?不好使,因为要找最优解。
- 广度优先搜索?不好使,因为宽度时无穷大的。
搜索优化:迭代加深搜索Iteratively Deepenning DFS
- 限定DFS的搜索深度,并逐步增加
- 即搜索深度也作为状态的一部分(优化与判定间的转换)
八数码问题:
九个格子中放入了数字1到8方块,利用空位移动方块,问使数字恢复顺序所需最少移动次数?
- 如何定义状态?10^10,但这样最精简么?康托展开
- 康托展开使一个全排列到一个自然数的双射,常用于构建哈希表时的空间压缩。
- 果断广度优先搜索:9!=3.6✖10^5,最坏情况下内存不够
搜索优化:双向广度优先搜索Bidirectional BFS,Meet-in-the-mid
- 可以从初始状态和目标状态同时进行广度优先搜索
- 内存优化(优化比取决于相邻状态数)
- 仅当初始状态和目标状态可以直接确定的情况
更多搜索优化技巧(取决于问题的特殊性质,见招拆招)
- 启发式搜索:A*,IDA*
- 最佳优先搜索Best-first search
- 分支界限法Branch and bound
- 剪枝Pruning
- Ad hoc方法
最关键的两个优化思路
- 用最简单的状态刻画问题,缩减状态空间
- 想尽办法避开不必要的状态转移
- 经典方法:动态规划、分治、贪心
这篇关于南开大学软件学院2021年秋季学期研究生算法课程(复习)算法设计思想和状态空间的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!