动态规划、贪心算法、分支策略的不同

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前言

一、贪心算法

贪心算法是指在对问题求解时,总是做出在当前看来是最好的选择。也就是说,不从整体最优上加以考虑,它所做出的仅是在某种意义上的局部最优解。用局部解构造全局解,即从问题的某一个初始解逐步逼近给定的目标,以尽可能快的求得更好的解。当某个算法中的某一步不能再继续前进时,算法停止。

利用贪心算法解决问题时需要解决以下两个问题:

(1)该问题是否适合贪心策略求解。

(2)如何选择贪心标准,以得到问题的最优/较优解。

贪心算法存在如下问题:

(1)不能保证解释最佳的。因为贪心算法总是从局部出发,并没有从整体考虑。

(2)贪心算法一般用来解决求最大或最小解。

(3)贪心算法只能确定某些问题的可行性范围

所谓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的一种解题方法,其具体的实现

过程如下:

    (1)应用同一规则,将原问题变为一个相似的但规模更小的子问题。

    (2)从问题的某一初始解出发:

        while (能朝给定目标前进一步)

                求出可行解的一个解元素

    (3)由所有解元素组合成问题的一个可行解

二、动态规划

2.1 动态规划的特点:

1.最优子结构:一个最优化策略具有这样的性质,不论过去状态和决策如何,对前面的决策所形成的状态而言,余下的诸决策必须构成最优策略。简而言之,一个最优化策略的子策略总是最优的。
动态规划的最优化理在其指标函数的可分离性和单调性中得到体现。
(如果一个问题的最优解包含在一系列的子问题集的最优解,那么它就称为具有最优化的子结构属性。)
2.无后向性:将各阶段按照一定的次序排列好之后,对于某个给定的阶段状态,它以前各阶段的状态无法直接影响它未来的决策,而只能通过当前的这个状态。换句话说,每个状态都是过去历史的一个完整总结。这就是无后向性,又称为无后效性。
3.子问题的重叠性:
动态规划实质上是一种以空间换时间的技术,它在实现的过程中,不得不存储产生过程中的各种状态,所以它的空间复杂度要大于其它的算法。
设原问题的规模为n,容易看出,当子问题树中的子问题总数是n的超多项式函数,而不同的子问题数只是n的多项式函数时,动态规划法显得特别有意义,此时动态规划法具有线性时间复杂性。

三、分支策略

3.1 分支策略

在计算机科学中,分治法是一种很重要的算法。字面上的解释是“分而治之”,就是把一个复杂的问题分成两个或更多的相同或相似的子问题,再把子问题分成更小的子问题……直到最后子问题可以简单的直接求解,原问题的解即子问题的解的合并。这个技巧是很多高效算法的基础,如排序算法(快速排序,归并排序),傅立叶变换(快速傅立叶变换)

分治法的设计思想是:将一个难以直接解决的大问题,分割成一些规模较小的相同问题,以便各个击破,分而治之。

分治策略是:对于一个规模为n的问题,若该问题可以容易地解决(比如说规模n较小)则直接解决,否则将其分解为k个规模较小的子问题,这些子问题互相独立且与原问题形式相同,递归地解这些子问题,然后将各子问题的解合并得到原问题的解。这种算法设计策略叫做分治法。

如果原问题可分割成k个子问题,1<k≤n,且这些子问题都可解并可利用这些子问题的解求出原问题的解,那么这种分治法就是可行的。由分治法产生的子问题往往是原问题的较小模式,这就为使用递归技术提供了方便。在这种情况下,反复应用分治手段,可以使子问题与原问题类型一致而其规模却不断缩小,最终使子问题缩小到很容易直接求出其解。这自然导致递归过程的产生。分治与递归像一对孪生兄弟,经常同时应用在算法设计之中,并由此产生许多高效算法。

3.2 使用情况

分治法所能解决的问题一般具有以下几个特征:

1) 该问题的规模缩小到一定的程度就可以容易地解决

2) 该问题可以分解为若干个规模较小的相同问题,即该问题具有最优子结构性质。

3) 利用该问题分解出的子问题的解可以合并为该问题的解;

4) 该问题所分解出的各个子问题是相互独立的,即子问题之间不包含公共的子子问题。

第一条特征是绝大多数问题都可以满足的,因为问题的计算复杂性一般是随着问题规模的增加而增加;

第二条特征是应用分治法的前提它也是大多数问题可以满足的,此特征反映了递归思想的应用;、

第三条特征是关键,能否利用分治法完全取决于问题是否具有第三条特征,如果具备了第一条和第二条特征,而不具备第三条特征,则可以考虑用贪心法或动态规划法。

第四条特征涉及到分治法的效率,如果各子问题是不独立的则分治法要做许多不必要的工作,重复地解公共的子问题,此时虽然可用分治法,但一般用动态规划法较好。

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