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常用算法——深度优先搜索

佚名

 

 

我们在对一些问题进行求解时,会发现有些问题很难找到规律,或者根本无规律可寻。对于这样的问题,可以利用计算机运算速度快的特点,先搜索查找所有可能出现的情况,再根据题目条件从所有可能的情况中,删除那些不符合条件的解。

【例题1】 有A、B、C、D、E 5本书,要分给张、王、刘、赵、钱5位同学,每人只能选1本。每个人都将自己喜爱的书填写在下表中。请你设计一个程序,打印出让每个人都满意的所有分书方案。

┌──┬───┬───┬───┬───┬───┐     ││A │ B │ C │ D │ E │     ├──┼───┼───┼───┼───┼───┤     │张│││√│√││00110 ├──┼───┼───┼───┼───┼───┤     │王│√│√│││√│11001 ├──┼───┼───┼───┼───┼───┤     │刘││√│√│││01100 ├──┼───┼───┼───┼───┼───┤     │赵││││√││00010 ├──┼───┼───┼───┼───┼───┤     │钱││√│││√│01001 └──┴───┴───┴───┴───┴───┘    

★问题分析
    题目中每人喜爱哪本书是随意的,无规律可循,所以用穷举方法解较为合适。按穷举法的一般算法,可以暂不考虑一些条件,先求出满足部分条件的解,即可行解。然后,再加上尚未考虑的条件,从可行解中删除不符合这些条件的解,留下的就是问题的解。具体到本题中,我们可以先不考虑“让每人都满意”这个条件,这样,就只剩“每人选一本且只能选一本”这一个条件了。在这个条件下,可行解是5本书的所有全排列,一共有5!=120种情况。从这120种可行解中删去不符合“每人都满意”这一条件的解,剩下的就是本题的解。
    为编程方便,我们用1、2、3、4、5分别表示这5本书。这5个数字的—种全排列就是5本书的一种分法。例如54321就表示第五本书(即E)分给张,第四本书(即D)分给王……,第—本书(即A)分给钱。
    每个人“喜爱书表”,在程序中我们用二维数组Like[i,j]来表示,1表示喜爱,0表示不喜爱。排列的产生可以用穷举法,也可以用专门算法。

★算法设计:
    第一步:产生5个数字的一个全排列;
    第二步:检查所产生的全排列是否符合“喜爱书表”,如果符合就输出;
    第三步:检查是否所有排列都产生了,如果没有产生完,则返回第一步;
    第四步:结束。
    根据题目给出的条件,还可以对上面算法进行一些改进。例如产生一个全排列12345时,第一个数1表示将第一本书给小张。但从表中可以看出,这是不可能的,因为小张只喜欢第三、第四本书。也就是说,1X X X X这一类分法是不符合条件的。由此使我们想到,如果选定第一本书后,就立即检查一下是否符合条件,当发现第一个数的选择不符合条件时,就不必再产生后面的4个数了,这样做可以减少很多的运算量。换句话说,第一个数只在3和4中选择,这样就可以减少3/5的运算量。同理,在选定了第一个数后,其他4个数字的选择也可以用类似的方法处理,即选择第二个数后,立即检查是否符合条件。例如,第一个数选3,第二个数选4后,立即进行检查,发现不符合条件,就另选第二个数。这样就又把34XXX一类的分法删去了,从而又减少了一部分运算量。
    综上所述,改进后本题算法应该是:在产生各种排列时,每增加一个数字,就检查一下该数的加入是否符合条件,如不符合,就立刻换一个;若符合条件,则再产生下一个数。因为从第i本书到第i+1本书的寻找过程是相同的,所以可以用递归方法编程。

★算法框图

PROCEDURE TRY(i);(递归算法) ┌─────────────────────┐ │For j:= 1 to 5 do │ ├─┬───────────────────┤ ││T\第I个学生喜爱第j本书/F│ │├────────────┬──────┤ ││记录第 i个数││ │├────────────┤│ ││\i= 5/││ ││T\/ F ││ │├─────┬──────┤│ ││打印一个解│Try(i+1)││ │├─────┴──────┤│ ││删去第i 个数字││ └─┴────────────┴──────┘
    我们用二维数组like存放“喜爱书表”,用集合flag存放已分出书的编号,数组book存储各人所分得书的编号,如book[1]=3,则表示第一个同学(小张)分得编号为3的书。
    递归程序如下(程序中将小张的喜欢的书改成了ACD):
Program allot_book(output);
  type five=1..5;
  const like: array[five,five] of 0..1 =((1, 0, 1,1 ,0),
       (1,1,0,0,1),(0,1,1,0,0),(0,0,0,1,0),(0,1,0,0,1));
       {个人对各种书的喜好情况}
  name:array[five] of string[5] = 
       ('zhang', 'wang','liu', 'zhao', 'qian' );
       {数组name存放学生姓名}
var book: array[1..5] of 0..5;{存放各人分配到的书的编号}
    flag: set of five;
    c: integer;
procedure print;   {打印分配方案}
   var i: integer;
   begin
     inc(c);           {计数,统计得到分配方案数}
     writeln( 'answer', c,':');
     for i:=1 to  5 do
        writeln(name[i]: 10,':', chr(64 + book[i] ) );
end;
procedure try(i: integer);  {判断第 I 个学生分得书的编号}
  var j: integer;
  begin
   for j:=1 to 5 do
        if not(j in flag) and (like[i,j]>0) then
   begin     {第j本书未选过,且第I个学生喜爱第j本书}
        flag:= flag + [j];  {修改已选书编号集合,加入第j本书}
        book[i]:=j;          {记录第 I 个学生分得书的编号}
   if i= 5 then print   {I = 5,5 个学生都分到自己喜爱的书}
      else try(i + 1);
      {i<5,继续搜索下一个学生可能分到书的情况}
   flag:= flag - [j];   {后退一步,以便查找下一种分配方案}
   book[i]:=0;
  end
end;
{  main prg  }
begin
  flag:= [];
  c:=0;
  try(1);
  readln
end.
运行结果为:
  zhang: C
  wang: A
  liu:B
  Zhao: D
  qian: E
    另外,此题也可以用非递归的算法解。非递归算法的基本思想是用栈来存放被选中书的编号。设dep表示搜索深度,r为待选书号,p为搜索成功标志。算法表示如下(非递归算法)。
PROCEDURE dfs;(非递归算法) ┌────────────────────────────┐ │Dep:=0│ ├─┬──────────────────────────┤ ││dep:=dep+1│ │├──────────────────────────┤ ││j:=0; p:=False;│ │├─┬────────────────────────┤ │││j:=j+1│ ││├────────────────────────┤ │││T\子结点mr符合统计/F│ ││├──────────────┬─────────┤ │││产生子结点,并记录│T\Mxar/F│ ││├──────────────┼────┬────┤ │││T\子结点是目标/F│回溯│P:=Fatse│ ││├──────┬───────┤││ │││输出并出栈│P:= true│││ │├─┴──────┴───────┴────┴────┤ ││UNTIL p=True│ ├─┴──────────────────────────┤ │UNTIL dep= 0│ └────────────────────────────┘
    尽管深度优先基本算法类似,但在处理不同问题时,在具体处理方法、编程的技巧上,却不尽相同;有时甚至会有很大的差别。
    比如,例1的解法还可以这样来设计:从表中看出,赵同学只喜爱D这一本书,无其它选择余地。因此,赵同学得到书的编号在搜索前就确定下来了。为了编程方便,可以把赵钱2人位置交换,这样程序只需对张王刘钱4人情况进行搜索测试。
    另外,发现表示“喜爱书表”的数组有多个0,为减少不必要的试探,我们改用链表来表示。例如第三位同学的链表是:Like[3,0]=2.Like[3,2]=3.Like[3,3]=0,其中,Like[3,0]=2表示他喜爱的第一本书编号是2,Like[3,2]=3即表示喜爱的编号为2的书后面是编号为3的书,Like[3,3]=0,表示编号为3的书是其最后1本喜爱的书。
    这样基本算法不变,但程序改进如下:
Program allot_book(output);  {linking List}
  type five=1..5;{将小张的喜欢的书改成了ACD}
  const  Link: Array[ 1..5,0..5 ] of 0..5 = 
    ((1,3,0,4,0,0),(1,2,5,0,0,0),(2,0,3,0,0,0),(4,0,0,0,0,0),(2,0,5,0,0,0));
    {个人对各种书的喜好情况}
  name:array[five] of string[5] = 
    ('zhang', 'wang','liu', 'zhao', 'qian' );
    {数组name存放学生姓名}
var book: array[1..5] of 0..5;{存放各人分配到的书的编号}
    flag: set of five;
    c: integer;
procedure print;   {打印分配方案}
   var i: integer;
   begin
     inc(c);           {计数,统计得到分配方案数}
     writeln( 'answer', c,':');
     for i:=1 to  5 do
        writeln(name[i]: 10,':', chr(64 + book[i] ) );
end;
procedure try(i: integer);  {判断第 I 个学生分得书的编号}
  var j: integer;
  begin
   j:=0;
   repeat
       j:=link[i,j];     { 取链表中喜爱书编号j }
       If not(j in flag) and (j>0) then
       Begin
          flag:= flag+ [j];
          book[i]:=j;
          if i=5 then  print
                   else  try(i + 1);
   flag:= flag - [j];   {后退一步,以便查找下一种分配方案}
   book[i]:=0;
       End;
     until j = 0;
end;
{    main prg    }
begin
  flag:= [];
  c:=0;
  try(1);
  readln
end.


 
 

 

 
 
 

制作与维护:重庆市忠县中学 谭海