动态规划——钢条切割

 

钢条切割问题：给定一段长度为n英寸的钢条和一个价格表p_i（i=1,2,...,n）.求切割钢条方案，使得销售收益r_n最大。注意，如果长度为n英寸的钢条价格p_n足够大，最优解可能就是完全不需要切割。 

 

长度i	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
价格p	1	5	8	9	10	17	17	20	24	30

 

n = 4

方案              收益

1+1+1+1     r = 4

1+1+2          r = 7

2+2               r = 10

4                   r =9

 

递归求解：采用朴素递归算法效率很低，需要反复求解相同的子问题。

将钢条从左边切割长度为i+1的一段（i从0开始），只对剩下的长度为n-(i+1)的一段进行切割（递归求解）。

公式：r_n  = max（p_i+r_n-i）

在此公式中，原问题的最优解只包含一个相关问题（右端剩余部分）的解，而不是两个。方法考察了所有的2^n-1种可能的方案。T（n） = 2ⁿ

 

使用动态规划求解：仔细安排求解顺序，对每个问题只求解一次，并将结果保存下来。T（n） = Θ（n²）

 

n  带备忘的自顶向下法（top-down with memoization).

n  自底向上法（bottom-up method)。将子问题按规模排序，按由小到大的顺序进行求解。

 

两种方法仅有的差异是在某些特殊情况下，自顶向下方法并未真正递归地考察所有可能的子问题。由于没有频繁的递归函数调用的开销，自底向上方法的时间复杂性函数通常具有更小的系数。

 

 

#include<iostream>
#include<algorithm>
usingnamespace std;
 
int cutRod(int * p, int n);//递归迭代，低效版。复杂度指数级 2^n
int m_TD(int *p, int n, int *r);//memoized_top-down 备忘-自顶向下  N^2
int BD(int *p, int n);//button-up 自底向上法N^2
int ** ext_BD(int * p, int n);//exetenden button-up 自底向上的扩展算法。保存切割方案，保留第一段钢条的最优切割长度
void printSolution(int * p, int n);
 
int main(){
    int r[100];//保存子问题的求解值。 
    int p[] = { 1, 5, 8, 9, 10, 17, 17, 20, 24, 30 };
    //int p[] = { 1, 5, 8, 9, 10, 17, 17, 20, 24, 30 ,32,42,52,55,56,58,60,63,66,70,80,100,110,120,130,140,150,160,170,180};
    int money = cutRod(p, 4);
    int m = m_TD(p, 4, r);
    printSolution(p, 11);//查看前10根需要输入11.
    system("pause");
    return 0;
}
int cutRod(int *p, intn){//n=钢条长度
    if (n == 0){
       return 0;
    }
    int maxValue = 0;
    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
       int n2 = n - (i + 1);//拆分成i+1根，和n-（i+1）根， i = 0表示，拆分成1根和n-1根
       maxValue = max(maxValue, p[i] + cutRod(p, n2));
    }
   
    return maxValue;
}
//memoized_top-down 备忘-自顶向下
int m_TD(int *p,intn,int *r){//p = price保存价钱的数组，n = num钢条的长度，r保存收益的数组,即保存子问题的求解值，初始化为所有元素都为0。
    /* n = 0
       n = 1
           i = 0, n2 = 0，第一根为1,第二根为0
           q = max(0,p[0]+m_TD(p,0,r)) = 1;
           r[1] = 1;
 
       n = 2
           i = 0, n2 = 1，第一根为1,第二根为1
           q = max(0,p[0]+m_TD(p,1,r)) = max(0,1+1) = 2 ;
 
           i = 1, n2 = 0 ,第一根为2,第二根为0
           q = max(2,p[1]+m_TD(p,0,r)) = max(5,2+0) = 5;
    */
    int q = 0;
    if (r[n] >= 0){//判断是否已经有解。
       returnr[n];
    }
    if (n == 0)   return 0;
    else
    {
       int n2 = 0;
       for (int i = 0; i < n; i++)
       {
           n2 = n - (i + 1);
           q = max(q, p[i] + m_TD(p, n2,r));
       }
    }
    r[n] = q;
    return q;
}
 
//button-up 自底向上法
int BD(int *p, intn){
   
    //n =2,依此求得r[1]、r[2];
    /*i = 1,
    *   j = 1, q = max(0,p[1-0] + r[0]) =  1;
    *   r[1] = 1;
    */
 
    /*i = 2,
    *   j = 1, q = max(1,p[0] + r[1]) = 2;切分成2 = 1+1
    *   j = 2  q = max(5,p[1] + r[0]) = 5;  切分成2 = 2+0；
    *   r[2] = 5;
    */
    int r[100] = { 0 };//求解每个子问题i=1 -> n根钢条的问题解，求得解保存如r数组中。
    for (int i = 1; i <=  n; i++)
    {
       int maxValue = 0;
       int j = 1;
      
       for ( j; j <=i; j++)
       {
           maxValue = max(maxValue, p[j - 1] + r[i - j]);
       }
       r[i] = maxValue;
    }
    return r[n];
    //尝试着将i j初始化0，但是没有找到对应的方法.还是按书上的初始化1.
}
 
//exetenden button-up 自底向上的扩展算法。保存切割方案，保留第一段钢条的最优切割长度
int ** ext_BD(int * p, intn){
 
    staticint s[50] = { 0 };
    staticint r[50] = { 0 };//求解每个子问题i=1 -> n根钢条的问题解，求得解保存如r数组中。
    staticint *result[2] = { r, s };//result保存两个数组指针。
   
    for (int i = 1; i <= n; i++)
    {
       int maxValue = 0;
       int j = 1;
       for (j; j <= i; j++)
       {
           int value = p[j - 1] + r[i - j];
           if (maxValue < value){
              maxValue = value;
              s[i] = j;//保留第一段钢条的最优切割长度
              r[i] = maxValue;
           }
       }
    }
    return result;
}
void printSolution(int * p,intn){
   
    int ** sol = ext_BD(p, n);
    int * r = sol[0];
    int * s = sol[1];
 
    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
       cout << i << "    r：" << r[i] << "      first_cut: "<<s[i]<<endl;
    }
   
}

 

 参考文献： 殷建平等译.算法导论（第三版).机械工业出版社