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C語言實現的排列組合問題的通用算法、解決方法

2020-01-26 15:21:50
字體:
來源:轉載
供稿:網友

盡管排列組合是生活中經常遇到的問題,可在程序設計時,不深入思考或者經驗不足都讓人無從下手。由于排列組合問題總是先取組合再排列,并且單純的排列問題相對簡單,所以本文僅對組合問題的實現進行詳細討論。以在n個數中選取m(0<m<=n)個數為例,問題可分解為:

1. 首先從n個數中選取編號最大的數,然后在剩下的n-1個數里面選取m-1個數,直到從n-(m-1)個數中選取1個數為止。

2. 從n個數中選取編號次小的一個數,繼續執行1步,直到當前可選編號最大的數為m。

很明顯,上述方法是一個遞歸的過程,也就是說用遞歸的方法可以很干凈利索地求得所有組合。

下面是遞歸方法的實現:

復制代碼 代碼如下:

/// 求從數組a[1..n]中任選m個元素的所有組合。
/// a[1..n]表示候選集,n為候選集大小,n>=m>0。
/// b[1..M]用來存儲當前組合中的元素(這里存儲的是元素下標),
/// 常量M表示滿足條件的一個組合中元素的個數,M=m,這兩個參數僅用來輸出結果。
void combine( int a[], int n, int m,  int b[], const int M )
{
 for(int i=n; i>=m; i--)   // 注意這里的循環范圍
 {
  b[m-1] = i - 1;
  if (m > 1)
   combine(a,i-1,m-1,b,M);
  else                     // m == 1, 輸出一個組合
  {  
   for(int j=M-1; j>=0; j--)
    cout << a[b[j]] << " ";
   cout << endl;
  }
 }
}

因為遞歸程序均可以通過引入棧,用回溯轉化為相應的非遞歸程序,所以組合問題又可以用回溯的方法來解決。為了便于理解,我們可以把組合問題化歸為圖的路徑遍歷問題,在n個數中選取m個數的所有組合,相當于在一個這樣的圖中(下面以從1,2,3,4中任選3個數為例說明)求從[1,1]位置出發到達[m,x](m<=x<=n)位置的所有路徑:
復制代碼 代碼如下:

1  2  3  4
    2  3  4
        3  4

上圖是截取n×n右上對角矩陣的前m行構成,如果把矩矩中的每個元素看作圖中的一個節點,我們要求的所有組合就相當于從第一行的第一列元素[1,1]出發,到第三行的任意一列元素作為結束的所有路徑,規定只有相鄰行之間的節點,并且下一行的節點必須處于上一行節點右面才有路徑相連,其他情況都無路徑相通。顯然,任一路徑經過的數字序列就對應一個符合要求的組合。

下面是非遞歸的回溯方法的實現:

復制代碼 代碼如下:
/// 求從數組a[1..n]中任選m個元素的所有組合。
/// a[1..n]表示候選集,m表示一個組合的元素個數。
/// 返回所有組合的總數。
int combine(int a[], int n, int m)
{  
 m = m > n ? n : m;

 int* order = new int[m+1];   
 for(int i=0; i<=m; i++)
  order[i] = i-1;            // 注意這里order[0]=-1用來作為循環判斷標識
 
 int count = 0;                               
 int k = m;
 bool flag = true;           // 標志找到一個有效組合
 while(order[0] == -1)
 {
  if(flag)                   // 輸出符合要求的組合
  {  
   for(i=1; i<=m; i++)                   
    cout << a[order[i]] << " ";
   cout << endl;
   count++;
   flag = false;
  }

  order[k]++;                // 在當前位置選擇新的數字
  if(order[k] == n)          // 當前位置已無數字可選,回溯
  {
   order[k--] = 0;
   continue;
  }    
 
  if(k < m)                  // 更新當前位置的下一位置的數字         
  {
   order[++k] = order[k-1];
   continue;
  }
 
  if(k == m)
   flag = true;
 }

 delete[] order;
 return count;
}


下面是測試以上函數的程序:
復制代碼 代碼如下:

int main()
{
 const int N = 4;
 const int M = 3;
 int a[N];
 for(int i=0;i<N;i++)
  a[i] = i+1;

 // 回溯方法
 cout << combine(a,N,3) << endl;

 // 遞歸方法
 int b[M];
 combine(a,N,M,b,M);

 return 0;
}


由上述分析可知,解決組合問題的通用算法不外乎遞歸和回溯兩種。在針對具體問題的時候,因為遞歸程序在遞歸層數上的限制,對于大型組合問題而言,遞歸不是一個好的選擇,這種情況下只能采取回溯的方法來解決。

n個數的全排列問題相對簡單,可以通過交換位置按序枚舉來實現。STL提供了求某個序列下一個排列的算法next_permutation,其算法原理如下:
1. 從當前序列最尾端開始往前尋找兩個相鄰元素,令前面一個元素為*i,后一個元素為*ii,且滿足*i<*ii;

2. 再次從當前序列末端開始向前掃描,找出第一個大于*i的元素,令為*j(j可能等于ii),將i,j元素對調;

3. 將ii之后(含ii)的所有元素顛倒次序,這樣所得的排列即為當前序列的下一個排列。

其實現代碼如下:

復制代碼 代碼如下:

template <class BidirectionalIterator>
bool next_permutation(BidirectionalIterator first, BidirectionalIterator last)
{
  if (first == last) return false;   // 空亚洲香蕉成人av网站在线观看_欧美精品成人91久久久久久久_久久久久久久久久久亚洲_热久久视久久精品18亚洲精品_国产精自产拍久久久久久_亚洲色图国产精品_91精品国产网站_中文字幕欧美日韩精品_国产精品久久久久久亚洲调教_国产精品久久一区_性夜试看影院91社区_97在线观看视频国产_68精品久久久久久欧美_欧美精品在线观看_国产精品一区二区久久精品_欧美老女人bb
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