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

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

H:X\rightarrow Y\\ where\ x_i\in [0,m),y_i\in [0,n),and\ n<<m

可计算问题的本质

  • 判别问题:判断初始状态目标状态是否可达
  • 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:

  1. 和式中的分数互不相同
  2. 和式中的分数个数最少
  3. 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\frac{a^{'}}{b^{'}}=\frac{a}{b}-\frac{1}{x}
  • 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
    • X=a_n(n-1)!+a_{n-1}(n-2)!+\cdot \cdot \cdot +a_1\times 0!
    • 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!



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