Problem wydawania reszty (algorytm zachłanny)

Algorytm zachłanny wydawania reszty (1) Przykład rozwiązania problemu wydawania reszty za pomocą algorytmu zachłannego. Jak widać, rozwiązanie znalezione przez algorytm nie jest rozwiązaniem optymalnym
REKLAMA

Czysty kod. Podręcznik dobrego programisty
−35%44,85 zł
C++. Algorytmy i struktury danych
−34%67,57 zł

Ten artykuł opisuje algorytm zachłanny rozwiązujący problem wydawania reszty. Algorytm ten polega na wybieraniu zawsze największej dostępnej monety, tzn. takiej, która nie jest większa od kwoty pozostałej do wydania.

Algorytm nie zawsze znajduje rozwiązanie optymalne. Przykładowo, dla zbioru nominałów {1, 3, 4} i kwoty 6 algorytm użyje najpierw monety o nominale 4 (pozostaje do wydania kwota 2), potem monety o nominale 1 (pozostaje kwota 1) i jeszcze raz monety o nominale 1. Łącznie algorytm użyje więc trzech monet, podczas gdy rozwiązanie optymalne wymaga użycia tylko dwóch (dwie monety o nominale 3).

Opis działania algorytmu

Dany jest posortowany rosnąco ciąg nominałów A=(c1, c2, …, cn) oraz kwota do wydania r. Algorytm działa następująco:

  1. Przypisujemy współczynnikom k1, k2, …, kn wartości 0.
  2. Dopóki r jest większe od zera:
    • Jeżeli r jest mniejsze od cn, zmniejszamy n o 1.
    • W przeciwnym razie zwiększamy wartość kn o 1 i zmniejszamy wartość r o cn.

Rozwiązania optymalne

Choć w przypadku ogólnym algorytm zachłanny nie daje rozwiązania optymalnego, to istnieją takie zbiory nominałów, dla których algorytm tę gwarancję daje. W pracy Combinatorics of the change-making problem (link w bibliografii) zaprezentowano metodę pozwalającą sprawdzić, czy dla danego ciągu nominałów algorytm zachłanny daje gwarancję znalezienia rozwiązania optymalnego niezależnie od wydawanej kwoty (takie ciągi nominałów w dalszej części artykułu będziemy określać jako „zachłanne”). Posortowany ciąg nominałów A=(c1, c2, …, cn) jest „zachłanny”, jeśli są spełnione następujące warunki:

  • Ciąg A′=(c1, c2, …, cn-1) jest „zachłanny”.
  • Liczba monet wyznaczona przez algorytm zachłanny dla ciągu nominałów A′ i kwoty mcn-1-cn jest mniejsza bądź równa m-1, gdzie wartość m to zaokrąglony w górę iloraz dwóch największych nominałów (cn/cn-1).

Dowód tego twierdzenia jest dostępny we wspomnianej pracy Combinatorics of the change-making problem. Znając powyższe warunki możemy sprawdzić kolejno zachłanność podciągów (c1, c2), (c1, c2, c3) aż do (c1, c2, …, cn).

Dla przykładu sprawdźmy, czy „zachłanny” jest ciąg nominałów (1, 2, 5, 10):

  • Jednoelementowy ciąg 1 musi być „zachłanny”, gdyż dla każdej kwoty istnieje tylko jedno rozwiązanie.
  • Dla ciągu (1, 2) wartość m wynosi 2. Kwota mcn-1-cn wynosi zatem 0. Algorytm zachłanny do wyznaczenia tej kwoty użyje 0 monet. 0 jest mniejsze niż 2-1, zatem ciąg jest „zachłanny”.
  • Dla ciągu (1, 2, 5) wartość m wynosi 3. Kwota mcn-1-cn wynosi zatem 1. Algorytm zachłanny do wyznaczenia tej kwoty użyje 1 monety. 1 jest mniejsze niż 3-1, zatem ciąg jest „zachłanny”.
  • Dla ciągu (1, 2, 5, 10) wartość m wynosi 2. Kwota mcn-1-cn wynosi zatem 0. Algorytm zachłanny do wyznaczenia tej kwoty użyje 0 monet. 0 jest mniejsze niż 2-1, zatem ciąg jest „zachłanny”.

Z tego twierdzenia wynikają też pewne bardziej ogólne wnioski. Zastanówmy się nad ciągami, w których każdy element ciągu jest wielokrotnością poprzedniego (kcn-1=cn, k > 0). Wówczas iloraz cn/cn-1 wynosi dokładnie k. Kwota mcn-1-cn wynosi wówczas 0. Do wydania kwoty 0 potrzeba 0 monet. 0 zawsze jest mniejsze bądź równe k-1. Podsumowując, jeśli w ciągu nominałów każdy element (poza pierwszym) jest wielokrotnością poprzedniego, to algorytm zachłanny będzie dawał rozwiązania optymalne.

Złożoność obliczeniowa

Dla kwoty 1 i n nominałów główna pętla programu wykona się n razy. Dla zbioru nominałów (1) i kwoty r pętla wykona się r razy. Można zatem powiedzieć, że złożoność czasowa algorytmu to O(n+r). Warto jednak zauważyć, że w praktyce algorytm może działać jeszcze szybciej – dla ustalonego r liczba wykonań pętli może wręcz maleć wraz ze wzrostem n, dopóki cn<r. Złożoność pamięciowa algorytmu jest stała (nie zależy od n ani r).

Bibliografia

  • A. Adamaszek, M. Adamaszek, Combinatorics of the change-making problem, European Journal of Combinatorics, Volume 31, Issue 1, 2010, s. 47-63, DOI: 10.1016/j.ejc.2009.05.002.
  • Z.J. Czech, S. Deorowicz, P. Fabian, Algorytmy i struktury danych. Wybrane zagadnienia, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2010, ISBN 9788373356689.
Ocena: +3 Tak Nie
Liczba głosów: 3.

Dodano: 6 października 2016 12:33, ostatnia edycja: 24 kwietnia 2020 20:24.

REKLAMA

Zobacz też

Sortowanie przez wstawianie (ang. insertion sort) – prosty algorytm sortowania polegający na wstawianiu kolejnych elementów ciągu we właściwe miejsca. Złożoności czasowa algorytmu wynosi O(n2). Jest to algorytm realizujący metodę przyrostową.

→ Czytaj całość

Rekurencja (inaczej rekursja) – odwołanie się funkcji lub definicji do samej siebie. Mówiąc inaczej, podejście rekurencyjne polega na tym, że rozwiązanie problemu wyraża się za pomocą rozwiązania tego samego problemu dla mniejszych danych wejściowych. Stosowanie rekurencji jest charakterystyczne dla algorytmów projektowanych metodą dziel i zwyciężaj.

Typowym problemem, dla którego można zastosować rekurencję, jest obliczanie silni. Przypomnijmy, że silnia z n jest zdefiniowana jako n!=1×2×…×n. Funkcja ta może być równoważnie zapisana jako:

n!=(n−1)!×n, dla n>0,
n!=1, dla n=0.

W powyższym przykładzie górny wiersz jest ogólnym równaniem rekurencji, zaś dolny wiersz jest wartością brzegową. W języku C++ powyższa funkcja byłaby zapisana w poniższy sposób.

int silnia(int n)
{
    if (n > 0)
    {
        return n * silnia(n-1);
    }
    else
    {
        return 1;
    }
};

Przekształcenie postaci rekurencyjnej funkcji do postaci zwartej (tzn. takiej, która nie zawiera odwołania do samej siebie) jest określane jako rozwiązanie rekurencji. Metody rozwiązywania rekurencji są dostępne między innymi w książkach podanych w bibliografii.

Algorytmy stosujące rekurencję są zazwyczaj proste w implementacji. Jednocześnie wiążą się one z pewnymi problemami. Przy podejściu rekurencyjnym ta sama funkcja jest wywoływana wielokrotnie, co zużywa pamięć operacyjną (w skrajnych przypadkach może to spowodować przepełnienie stosu).

→ Czytaj całość

Algorytm genetycznymetaheurystyka inspirowana biologiczną ewolucją.

Pojęcie algorytmu genetycznego nie jest powiązane z żadnym konkretnym problemem obliczeniowym, algorytm ten może być wykorzystywany do rozwiązywania różnych problemów. Algorytm genetyczny nie próbuje rozwiązywać problemu w sposób analityczny, ale próbuje uzyskać jak najlepsze rozwiązania poprzez wybieranie jak najlepszych cech rozwiązań z określonej puli. Implementując algorytm genetyczny należy przedstawić potencjalne rozwiązanie problemu w postaci jakiejś struktury danych, a następnie zdefiniować operacje krzyżowania, mutacji i selekcji. Zakładamy, że z każdym kolejnym pokoleniem rozwiązania występujące w populacji będą coraz lepsze.

→ Czytaj całość
Polityka prywatnościKontakt