《算法设计与分析》实验指导.docx
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《算法设计与分析》实验指导
《算法分析与设计》实验指导.
实验一锦标赛问题
[实验目的]
1.基本掌握分治算法的原理.
2.掌握递归算法及递归程序的设计.
3.能用程序设计语言求解锦标赛等问题的算法.
[预习要求]
1.认真阅读数据结构教材和算法设计教材,了解分治算法原理;
2.设计用分治算法求解背包问题的数据结构与程序代码.
[实验题]
【问题描述】设有n=2k个运动员要进行网球循环赛。
现要设计一个满足以下要求的比赛日程表:
(1)每个选手必须与其他n-1个选手各赛一次;
(2)每个选手一天只能参赛一次;
(3)循环赛在n-1天内结束。
请按此要求将比赛日程表设计成有n行和n-1列的一个表。
在表中的第i行,第j列处填入第i个选手在第j天所遇到的选手。
其中1≤i≤n,1≤j≤n-1。
[实验提示]
我们可以按分治策略将所有的选手分为两半,则n个选手的比赛日程表可以通过n/2个选手的比赛日程表来决定。
递归地用这种一分为二的策略对选手进行划分,直到只剩下两个选手时,比赛日程表的制定就变得很简单。
这时只要让这两个选手进行比赛就可以了。
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(1)
(2)(3)
图12个、4个和8个选手的比赛日程表
图1所列出的正方形表(3)是8个选手的比赛日程表。
其中左上角与左下角的两小块分别为选手1至选手4和选手5至选手8前3天的比赛日程。
据此,将左上角小块中的所有数字按其相对位置抄到右下角,又将左下角小块中的所有数字按其相对位置抄到右上角,这样我们就分别安排好了选手1至选手4和选手5至选手8在后4天的比赛日程。
依此思想容易将这个比赛日程表推广到具有任意多个选手的情形。
[实验步骤]
1.采用递归方式设计并实现算法并准备测试用例,修改并调试程序,直至正确为止;
2.应用设计的算法和程序求锦标赛问题;
3.去掉测试程序,将你的程序整理成功能模块存盘备用.
[实验报告要求]
1.阐述实验目的和实验内容;
2.阐述分治算法原理;
3.提交实验程序的功能模块;
4.记录最终测试数据和测试结果。
[思考与练习]
【金块问题】老板有一袋金块(共n块,n是2的幂(n>=2)),将有两名最优秀的雇员每人得到其中的一块,排名第一的得到最重的那块,排名第二的雇员得到袋子中最轻的金块。
假设有一台比较重量的仪器,请用最少的比较次数找出最重和最轻的金块。
实验二背包问题
[实验目的]
4.能用程序设计语言实现求解背包问题的算法;
5.基本掌握动态规划法(贪心)的原理方法.
[预习要求]
3.认真阅读数据结构教材和算法设计教材,了解背包问题的常用算法原理;
4.设计用动态规划算法求解背包问题的数据结构和递归程序.
[实验题]
【背包问题】有不同价值、不同重量的物品n件,求从这n件物品中选取一部分物品的选择方案,使选中物品的总重量不超过指定的限制重量W,但选中物品的价值之和最大。
[实验提示]
设n件物品的重量分别为w0、w1、…、wn-1,物品的价值分别为v0、v1、…、vn-1。
采用递归寻找物品的选择方案。
设前面已有了多种选择的方案,并保留了其中总价值最大的方案于数组option[],该方案的总价值存于变量maxv。
当前正在考察新方案,其物品选择情况保存于数组cop[]。
假定当前方案已考虑了前i-1件物品,现在要考虑第i件物品;当前方案已包含的物品的重量之和为tw;至此,若其余物品都选择是可能的话,本方案能达到的总价值的期望值为tv。
算法引入tv是当一旦当前方案的总价值的期望值也小于前面方案的总价值maxv时,继续考察当前方案变成无意义的工作,应终止当前方案,立即去考察下一个方案。
因为当方案的总价值不比maxv大时,该方案不会被再考察,这同时保证函数后找到的方案一定会比前面的方案更好。
对于第i件物品的选择考虑有两种可能:
(1)考虑物品i被选择,这种可能性仅当包含它不会超过方案总重量限制时才是可行的。
选中后,继续递归去考虑其余物品的选择。
(2)考虑物品i不被选择,这种可能性仅当不包含物品i也有可能会找到价值更大的方案的情况。
按以上思想写出递归算法如下:
try(物品i,当前选择已达到的重量和,本方案可能达到的总价值tv)
{/*考虑物品i包含在当前方案中的可能性*/
if(包含物品i是可以接受的)
{将物品i包含在当前方案中;
if(i try(i+1,tw+物品i的重量,tv); else /*又一个完整方案,因为它比前面的方案好,以它作为最佳方案*/ 以当前方案作为临时最佳方案保存; 恢复物品i不包含状态; } /*考虑物品i不包含在当前方案中的可能性*/ if(不包含物品i仅是可男考虑的) if(i try(i+1,tw,tv-物品i的价值); else /*又一个完整方案,因它比前面的方案好,以它作为最佳方案*/ 以当前方案作为临时最佳方案保存; } 为了理解上述算法,特举以下实例。 设有4件物品,它们的重量和价值见表: 物品 0 1 2 3 重量 5 3 2 1 价值 4 4 3 1 并设限制重量为7。 则按以上算法,下图表示找解过程。 由图知,一旦找到一个解,算法就进一步找更好的佳。 如能判定某个查找分支不会找到更好的解,算法不会在该分支继续查找,而是立即终止该分支,并去考察下一个分支。 [实验步骤] 4.设计并实现算法并准备测试用例,修改并调试程序,直至正确为止; 5.应用设计的算法和程序求解背包问题; 6.去掉测试程序,将你的程序整理成功能模块存盘备用. [实验报告要求] 5.阐述实验目的和实验内容; 6.阐述求解背包问题的算法原理; 7.提交实验程序的功能模块; 8.记录最终测试数据和测试结果。 [思考与练习] 请用其它的算法(如贪心、分支限界等)求解背包问题。 实验三作业调度问题 [实验目的] 1.熟悉多机调度问题的算法; 2.进一步掌握贪心算法 3.提高分析与解决问题的能力。 [预习要求] 1.认真阅读教材或参考书,掌握贪心算法的基本思想; 2.写出求解“作业调度”的程序; 3.设计好测试用例。 [实验题] 要求给出一种作业调度方案,使所给的n个作业在尽可能短的时间内由m台机器加工处理完成。 约定,每个作业均可在任何一台机器上加工处理,但未完工前不允许中断处理。 作业不能拆分成更小的子作业。 [实验提示] 1.把作业按加工所用的时间从大到小排序; 2.如果作业数目比机器的数目少或相等,则直接把作业分配下去; 3 .如果作业数目比机器的数目多,则每台机器上先分配一个作业,如下的作业分配时,是选那个表头上s最小的链表加入新作业。 typedefstructJob { intID;//作业号 inttime;//作业所花费的时间 }Job; typedefstructJobNode//作业链表的节点 { intID; inttime; JobNode*next; }JobNode,*pJobNode; typedefstructHeader //链表的表头 { ints; pJobNodenext; }Header,pHeader; intSelectMin(Header*M,intm) { intk=0; for(inti=1;i { if(M[i].s } returnk; } [实验步骤] 1先用贪心算法求解该问题,并测试你的程序,直至正确为止; 2针对问题实例,实录运行时的输入、输出文件; 3将你的程序和实录的界面存盘备用。 [实验报告要求] 阐述实验目的和实验内容; 1提交模块化的实验程序源代码; 2简述程序的测试过程,提交实录的输入、输出文件; 3鼓励对实验内容展开讨论,鼓励提交思考与练习题的代码和测试结果。 实验四回溯算法设计 [实验目的] 1.掌握回溯法解题的基本思想; 2.掌握回溯算法的设计方法; 3.针对子集和数问题,熟练掌握回溯递归算法、迭代算法的设计与实现。 [预习要求] 1.认真阅读教材或参考书,掌握回溯法解题的基本思想,算法的抽象控制策略; 2.了解子集和数问题及解向量的定长和变长状态空间表示; 3.针对解向量的定长表示,设计状态空间树节点扩展的规范(限界)函数及实现方法; 4.分析深度优先扩展状态空间树节点或回溯的条件; 5.分析和设计生成解向量各分量可选值的实现方法; 6.设计和编制回溯算法的递归和迭代程序。 [实验题]#include #defineMAXN100 inta[MAXN]; voidcomb(intm,intk) {inti,j; for(i=m;i>=k;i--) {a[k]=i; if(k>1) comb(i-1,k-1); else {for(j=a[0];j>0;j--) printf(“%4d”,a[j]); printf(“/n”); } } } voidmain() {a[0]=3; comb(5,3); } 【组合数】找出从自然数1,2,…,n中任取r个数的所有组合。 #defineMAXN100 inta[MAXN]; voidcomb(intm,intr) {inti,j; i=0; a[i]=1; do{ if(a[i]-i<=m-r+1 {if(i==r-1) {for(j=0;jprintf(“%4d”,a[j]); printf(“\n”); } a[i]++; continue; } else {if(i==0) return; a[--i]++; } }while (1) } main() {comb(5,3); } [实验提示] 回溯法也称为试探法,该方法首先暂时放弃关于问题规模大小的限制,并将问题的候选解按某种顺序逐一枚举和检验。 当发现当前候选解不可能是解时,就选择下一个候选解;倘若当前候选解除了还不满足问题规模要求外,满足所有其他要求时,继续扩大当前候选解的规模,并继续试探。 如果当前候选解满足包括问题规模在内的所有要求时,该候选解就是问题的一个解。 在回溯法中,放弃当前候选解,寻找下一个候选解的过程称为回溯。 扩大当前候选解的规模,以继续试探的过程称为向前试探。 可以采用回溯法找问题的解,将找到的组合以从小到大顺序存于a[0],a[1],…,a[r-1]中,组合的元素满足以下性质: (1) a[i+1]>a[i],后一个数字比前一个大; (2) a[i]-i<=n-r+1。 按回溯法的思想,找解过程可以叙述如下: 首先放弃组合数个数为r的条件,候选组合从只有一个数字1开始。 因该候选解满足除问题规模之外的全部条件,扩大其规模,并使其满足上述条件 (1),候选组合改为1,2。 继续这一过程,得到候选组合1,2,3。 该候选解满足包括问题规模在内的全部条件,因而是一个解。 在该解的基础上,选下一个候选解,因a[2]上的3调整为4,以及以后调整为5都满足问题的全部要求,得到解1,2,4和1,2,5。 由于对5不能再作调整,就要从a[2]回溯到a[1],这时,a[1]=2,可以调整为3,并向前试探,得到解1,3,4。 重复上述向前试探和向后回溯,直至要从a[0]再回溯时,说明已经找完问题的全部解。 按上述思想写成程序如下: voidcomb(intn,intr) {inti,j;i=0;a[i]=1; do{if(a[i]-i<=n-r+1)/*还可以向前试探*/ {if(i==r-1)/*已找到一个组合*/ {for(j=0;j a[i]++;continue;} i++;a[i]=a[i-1]+1;/*向前试探*/ }else{if(i==0)return;/*已找到所有解*/ a[--i]++;}/*回溯*/ }while (1); } [实验步骤] 1.录入、修改并测试你的程序,直至正确为止; 2.针对问题实例,实录运行时的输入、输出界面; 3.将你的程序和实录的界面存盘备用。 [实验报告要求] 1.阐述实验目的和实验内容; 2.提交模块化的实验程序源代码; 3.简述程序的测试过程,提交实录的输入、输出界面; 4.鼓励对实验内容展开讨论,鼓励提交思考与练习题的代码和测试结果。 [思考与练习] 1.在3×3个方格的方阵中要填入数字1到N(N≥10)内的某9个数字,每个方格填一个整数,似的所有相邻两个方格内的两个整数之和为质数。 试求出所有满足这个要求的各种数字填法。 #include #defineN12 voidwrite(inta[]) {inti,j; for(i=0;i<3;i++) {for(j=0;j<3;j++) printf(“%3d”,a[3*i+j]); printf(“\n”); } scanf(“%*c”); } intb[N+1]; inta[10]; intisprime(intm) {inti; intprimes[]={2,3,5,7,11,17,19,23,29,-1}; if(m==1||m%2=0)return0; for(i=0;primes[i]>0;i++) if(m==primes[i])return1; for(i=3;i*i<=m;) {if(m%i==0)return0; i+=2; } return1; } intcheckmatrix[][3]={{-1},{0,-1},{1,-1},{0,-1},{1,3,-1}, {2,4,-1},{3,-1},{4,6,-1},{5,7,-1}}; intselectnum(intstart) {intj; for(j=start;j<=N;j++) if(b[j])returnj return0; } intcheck(intpos) {inti,j; if(pos<0)return0; for(i=0;(j=checkmatrix[pos][i])>=0;i++) if(! isprime(a[pos]+a[j]) return0; return1; } intextend(intpos) {a[++pos]=selectnum (1); b[a][pos]]=0; returnpos; } intchange(intpos) {intj; while(pos>=0&&(j=selectnum(a[pos]+1))==0) b[a[pos--]]=1; if(pos<0)return–1 b[a[pos]]=1; a[pos]=j; b[j]=0; returnpos; } voidfind() {intok=0,pos=0; a[pos]=1; b[a[pos]]=0; do{ if(ok) if(pos==8) {write(a); pos=change(pos); } elsepos=extend(pos); elsepos=change(pos); ok=check(pos); }while(pos>=0) } voidmain() {inti; for(i=1;i<=N;i++) b[i]=1; find(); } 2.试针对0/1背包问题设计回溯算法,比较与子集和数问题的算法差异。 3.求出在一个n×n的棋盘上,放置n个不能互相捕捉的国际象棋“皇后”的所有布局。 这是来源于国际象棋的一个问题。 皇后可以沿着纵横和两条斜线4个方向相互捕捉。 如图所示,一个皇后放在棋盘的第4行第3列位置上,则棋盘上凡打“×”的位置上的皇后就能与这个皇后相互捕捉。 12345678 ×× ××× ××× ××Q××××× ××× ××× ×× ×× 从图中可以得到以下启示: 一个合适的解应是在每列、每行上只有一个皇后,且一条斜线上也只有一个皇后。 求解过程从空配置开始。 在第1列至第m列为合理配置的基础上,再配置第m+1列,直至第n列配置也是合理时,就找到了一个解。 接着改变第n列配置,希望获得下一个解。 另外,在任一列上,可能有n种配置。 开始时配置在第1行,以后改变时,顺次选择第2行、第3行、…、直到第n行。 当第n行配置也找不到一个合理的配置时,就要回溯,去改变前一列的配置。 得到求解皇后问题的算法如下: {输入棋盘大小值n; m=0; good=1; do{ if(good) if(m==n) {输出解; 改变之,形成下一个候选解; } else扩展当前候选接至下一列; else改变之,形成下一个候选解; good=检查当前候选解的合理性; }while(m! =0); } 在编写程序之前,先确定边式棋盘的数据结构。 比较直观的方法是采用一个二维数组,但仔细观察就会发现,这种表示方法给调整候选解及检查其合理性带来困难。 更好的方法乃是尽可能直接表示那些常用的信息。 对于本题来说,“常用信息”并不是皇后的具体位置,而是“一个皇后是否已经在某行和某条斜线合理地安置好了”。 因在某一列上恰好放一个皇后,引入一个一维数组(col[]),值col[i]表示在棋盘第i列、col[i]行有一个皇后。 例如: col[3]=4,就表示在棋盘的第3列、第4行上有一个皇后。 另外,为了使程序在找完了全部解后回溯到最初位置,设定col[0]的初值为0当回溯到第0列时,说明程序已求得全部解,结束程序运行。 为使程序在检查皇后配置的合理性方面简易方便,引入以下三个工作数组: (1)数组a[],a[k]表示第k行上还没有皇后; (2)数组b[],b[k]表示第k列右高左低斜线上没有皇后; (3)数组c[],c[k]表示第k列左高右低斜线上没有皇后; 棋盘中同一右高左低斜线上的方格,他们的行号与列号之和相同;同一左高右低斜线上的方格,他们的行号与列号之差均相同。 初始时,所有行和斜线上均没有皇后,从第1列的第1行配置第一个皇后开始,在第m列col[m]行放置了一个合理的皇后后,准备考察第m+1列时,在数组a[]、b[]和c[]中为第m列,col[m]行的位置设定有皇后标志;当从第m列回溯到第m-1列,并准备调整第m-1列的皇后配置时,清除在数组a[]、b[]和c[]中设置的关于第m-1列,col[m-1]行有皇后的标志。 一个皇后在m列,col[m]行方格内配置是合理的,由数组a[]、b[]和c[]对应位置的值都为1来确定。 细节见以下程序: 【程序】 #include #include #defineMAXN20 intn,m,good; intcol[MAXN+1],a[MAXN+1],b[2*MAXN+1],c[2*MAXN+1]; voidmain() {intj; charawn; printf(“Entern: “);scanf(“%d”,&n); for(j=0;j<=n;j++)a[j]=1; for(j=0;j<=2*n;j++)cb[j]=c[j]=1; m=1;col[1]=1;good=1;col[0]=0; do{ if(good) if(m==n) {printf(“列\t行”); for(j=1;j<=n;j++) printf(“%3d\t%d\n”,j,col[j]); printf(“Enteracharacter(Q/qforexit)! \n”); scanf(“%c”,&awn); if(awn==’Q’||awn==’q’)exit(0); while(col[m]==n) {m--; a[col[m]]=b[m+col[m]]=c[n+m-col[m]]=1; } col[m]++; } else {a[col[m]]=b[m+col[m]]=c[n+m-col[m]]=0; col[++m]=1; } else {while(col[m]==n) {m--; a[col[m]]=b[m+col[m]]=c[n+m-col[m]]=1; } col[m]++; } good=a[col[m]]&&b[m+col[m]]&&c[n+m-col[m]]; }while(m! =0); } 试探法找解算法也常常被编写成递归函数,下面两程序中的函数queen_all()和函数queen_one()能分别用来解皇后问题的全部解和一个解。 【程序】 #include #include #defineMAXN20 intn; intcol[MAXN+1],a[MAXN+1],b[2*MAXN+1],c[2*MAXN+1]; voidmain() {intj; pr
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