Комбинаторные задачи

Введение

Задачи дискретной математики, к которым относится большинство олимпиадных задач по информатике, часто сводятся к перебору различных комбинаторных конфигураций объектов и выбору среди них наилучшего, с точки зрения условия той или иной задачи. Поэтому знание алгоритмов генерации наиболее распространенных комбинаторных конфигураций является необходимым условием

успешного решения олимпиадных задач в целом. Важно также знать количество различных вариантов для каждого типа комбинаторных конфигураций, так как это позволяет реально оценить вычислительную трудоемкость выбранного алгоритма решения той или иной задачи на перебор вариантов и, соответственно, его приемлемость для решения рассматриваемой задачи, с учетом ее размерности. Кроме того, при решении задач полезным оказывается умение для каждой из комбинаторных конфигураций выполнять следующие операции: по имеющейся конфигурации получать следующую за ней в лексикографическом порядке; определять номер данной конфигурации в лексикографической нумерации всех конфигураций; и, наоборот, по порядковому номеру выписывать соответствующую ему конфигурацию.

Генерация k-элементных подмножеств

В комбинаторике такие подмножества называют сочетаниями из n элементов по k элементов и обозначают Cnk . Их количество выражается следующей формулой:

Однако при программировании гораздо удобнее использовать следующие рекуррентные соотношения:

Объясняется это тем, что в формуле (1) числитель и знаменатель растут очень быстро, поэтому в силу особенностей компьютерной арифметики не всегда возможно точно вычислить значение Cnk, даже когда последнее не превосходит максимально представимое целое число.

При фиксированном значении n максимального значения число сочетаний достигает при k = n/2 (вернее, для четного n максимум один и он указан, а для нечетного — максимум достигается на двух соседних значениях k: [n/2] и

[n/2]+1). Поэтому особенно полезной оказывается следующая оценка для четных n [4] (очевидно, что при нечетных n отличия будут минимальными), основанная на формуле Стирлинга:

Если допустить, что за время, отведенное для решения задачи, мы можем перебрать около 106 вариантов, то из формулы (3) следует, что генерацию всех сочетаний из n элементов для любого фиксированного k можно проводить для n £ 24.

Обычно генерацию всех k-элементных подмножеств проводят в лексикографическом порядке, тем более что в данном случае это не приводит ни к усложнению алгоритма, ни к увеличению его вычислительной трудоемкости. Напомним, что порядок подмножеств называется лексикографическим, если для любых двух подмножеств справедливо, что раннее должно быть сгенерировано то из них, из индексов элементов которого можно составить меньшее k-значное число в n-ричной системе счисления (или в десятичной, для n < 10). Так, для n = 6 и k = 3 сочетание из третьего, первого и пятого элемента должно быть сгенерировано раньше, чем из второго, третьего и четвертого, так как 135 < 234.

Рассмотрим рекурсивный алгоритм решения данной задачи. Идея сведения данной задачи к задаче меньшей размерности следующая. Первым элементом подмножества может быть любой элемент, начиная с первого и заканчивая (n – k + 1)-м элементом. После того, как индекс первого элемента подмножества зафиксирован, осталось выбрать k – 1 элемент из элементов с индексами, большими, чем у первого. Далее поступаем аналогично. Когда выбран последний элемент, то мы достигли конечного уровня рекурсии и выбранное подмножество можно обработать (проанализировать или распечатать). В предлагаемой ниже программе массив a содержит значения элементов исходного множества и может быть заполнен произвольным образом. В массиве p будем формировать очередное сочетание из k элементов.

const nmax = 24;

type list = array[1 nmax] of integer;var k,i,j,n,q : integer;a,p : list;procedure print(k : integer);

var i:integer;beginfor j:=1 to k dowrite(p[j]:4);writelnend;{print}

procedure cnk(n,k : integer);procedure gen(m,L : integer);var i:integer;beginif m=0 then print(k) elsefor i:=L to n-m+1 dobegin

p[k-m+1]:=a[i];

gen(m-1,i+1)

end

end;{gen}

begin {cnk}gen(k,1)end;{cnk}begin {main}readln(n,k);for i:=1 to n doa[i]:=i;{заполнить массив можно и по-другому}

cnk(n,k)

end.

Заметим, что собственно генерация сочетаний производится в рекурсивной подпрограмме gen. Она имеет следующие параметры: m - сколько элементов из множества нам еще осталось выбрать и L - начиная с какого элемента исходного множества, следует выбирать эти m элементов. Обратите внимание, что именно вложенная структура описания процедур cnk и gen позволяет не передавать при рекурсивных вызовах значения n и k, а из основной программы обращаться к процедуре cnk с параметрами, соответствующими постановке задачи, не вдаваясь в подробности ее решения. Такой способ будем применять и в дальнейшем.

Генерация всех подмножеств данного множества

При решении олимпиадных задач чаще всего заранее неизвестно, сколько именно элементов исходного множества должно входить в искомое подмножество, то есть необходим перебор всех подмножеств. Однако, если требуется найти минимальное подмножество, то есть состоящее как можно из меньшего числа элементов (или максимальное подмножество), то эффективнее всего организовать перебор так, чтобы сначала проверялись все подмножества, состоящие из одного элемента, затем из двух, трех и т. д. элементов (для максимального подмножества — в обратном порядке). В этом случае, первое же подмножество, удовлетворяющее условию задачи и будет искомым, и дальнейший перебор следует прекратить. Для реализации такого перебора можно воспользоваться, например, процедурой cnk, описанной в предыдущем разделе. Введем в нее еще один параметр: логическую переменную flag, которая будет обозначать, удовлетворяет текущее сочетание элементов условию задачи или нет. При получении очередного сочетания вместо его печати обратимся к процедуре его проверки check, которая и будет определять значение флага. Тогда начало процедуры gen следует переписать так:

procedure gen(m,L:integer);

var i:integer;

begin

if m=0 then

begin

check(p,k,flag);

if flag then exit

end

else .

Далее процедура дословно совпадает с предыдущей версией. В основной же программе единственное обращение к данной процедуре следует заменить следующим фрагментом:

k:=0;

flag:=false;

repeat

k:=k+1;

cnk(n,1,flag)

until flag or (k=n);

if flag then print(k)

else writeln('no solution');

Очевидно также, что в основной программе запрос значения переменной k теперь не производится.

Существует также альтернативный подход к перебору всех подмножеств того или иного множества. Каждое подмножество можно охарактеризовать, указав относительно каждого элемента исходного множества, принадлежит оно данному подмножеству или нет. Сделать это можно, поставив в соответствие каждому элементу множества 0 или 1. То есть каждому подмножеству соответствует n-значное число в двоичной системе счисления (строго говоря, так как числа могут начинаться с произвольного количества нулей, которые значащими цифрами не считаются, то следует заметить, что в соответствие ставятся n- или менее - значные числа). Отсюда следует, что полный перебор всех подмножеств данного множества соответствует перебору всех чисел в двоичной системе счисления. Теперь легко подсчитать и количество различных подмножеств данного множества. Оно равно 2n – 1 (или 2n, с учетом пустого множества). Таким образом, сопоставляя два способа перебора всех подмножеств данного множества, мы получили следующую формулу:

 Скачать реферат