算法导论-动态规划-钢条切割

动态规划通常用于解决最优化问题，在这类问题中，通过做出一组选择来达到最优解。在做出每个选择的同时，通常会生成与原问题形式相同的子问题。当多于一个选择子集都生成相同的子问题时，动态规划技术通常就会很有效，其关键技术就是对每个这样的子问题都保存其解，当其重复出现时即可避免重复求解。

钢条切割问题

Serling公司购买长钢条，将其切割为短钢条出售。切割工序本身没有成本支出。公司管理层希望知道最佳的切割方案。假定我们知道Serling公司出售一段长为i英寸的钢条的价格为p_i(i=1,2,…，单位为美元)。钢条的长度均为整英寸。图15-1给出了一个价格表的样例。

钢条切割问题是这样的：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英寸的钢条的价格p_n足够大，最优解可能就是完全不需要切割。

一、问题分析

长度为n英寸的钢条共有2^n-1种不同的切割方案，因为在距离钢条左端i(i=1,2,…n)英寸处，总是可以选择切割或不切割。

如果一个最优解将钢条切割为k段（对某个），那么最优切割方案，将钢条切割为长度分别为i₁,i₂...i_k的小段得到的最大收益为。

对于，。其中，p_n对应不切割，对于每个i=1,2,…,n-1，首先将钢条切割为长度为i和n-i的两段，接着求解这两段的最优切割收益r_i和r_n-i(每种方案的最优收益为两段的最优收益之和)。当完成首次切割后，我们将两段钢条看成两个独立的钢条切割问题实例。通过组合两个相关子问题的最优解，并在所有可能的两段切割方案中选取组合收益最大者，构成原问题的最优解。

钢条切割问题还存在一种相似的但更为简单的递归求解方法：将钢条从左边切割下长度为i的一段，只对右边剩下的长度为n-i的一段继续进行切割，对左边的一段则不再进行切割。这样得到的公式为：。这样原问题的最优解只包含一个相关子问题（右端剩余部分）的解，而不是两个。

二、算法实现

1、朴素递归算法

自顶向下递归实现参考代码为：

int CutRod(const int *p, int n)
{
    if (n == 0)
    {
        return 0;
    }

    int q = -1;
    for (int i = 1; i <= n; ++i)
    {
        int tmp = CutRod(p, n - i);
        if (q < tmp)
        {
            q = tmp;
        }
    }

    return q;
}

分析：自顶向下递归实现的CutRod效率很差，原因在于CutRod反复地用相同的参数值对自身进行递归调用，即它反复求解相同的子问题。它的运行时间为。对于长度为n的钢条CutRod考察了所有2^n-1种可能的切割方案。递归调用树共有2^n-1个叶结点，每个叶结点对应一种可能的切割方案。

2、动态规划算法

朴素递归算法之所以效率很低，是因为它反复求解相同的子问题。因此，动态规划方法仔细安排求解顺序，对每个子问题只求解一次，并将结果保存下来。如果随后再次需要此子问题的解，只需查找保存的结果，而不必重新计算。因此，动态规划方法是付出额外的内存空间来节省计算空间。

动态规划有两种等价的实现方法。

（1）带备忘的自顶向下法

此方法仍按自然的递归形式编写过程，但过程会保存每个子问题的解（通常保存在一个数组或散列表中）。当需要一个子问题的解时，过程首先检查是否已经保存过此解。如果是，则直接返回保存的值，从而节省了计算时间；否则，按通常方式计算这个子问题。

（2）自底向上法

这种方法一般需要恰当定义子问题“规模”的概念，使得任何子问题的求解都只依赖于“更小的”子问题的求解。因此，我们可以将子问题按照规模顺序，由小至大顺序进行求解。当求解某个子问题时，它所依赖的那些更小的子问题都已求解完毕，结果已经保存。每个子问题只需求解一次，当我们求解它时，它的所有前提子问题都已求解完成。

说明：两种方法得到的算法具有相同的渐进运行时间，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度函数通常具有更小的系数。

下面给出动态规划-带备忘的自顶向下过程参考代码：

 1 int MemoizedCutRodAux(const int *p, int n, int *r)
 2 {
 3     if (r[n] >= 0)
 4     {
 5         return r[n];            //首先检查所需的值是否存在
 6     }
 7
 8     int q = -1;
 9     if (n == 0)
10     {
11         q = 0;
12     }
13     else
14     {
15         for (int i = 1; i <= n; ++i)
16         {
17             int tmp = p[i] + MemoizedCutRodAux(p, n - i, r);
18             if (q < tmp)
19             {
20                 q = tmp;
21             }
22         }
23     }
24     r[n] = q;
25
26     return q;
27 }
28
29 int MemoizedCutRod(const int *p, int n)
30 {
31     int *r = new int[n + 1];
32     for (int i = 0; i <= n; ++i)
33     {
34         r[i] = -1;
35     }
36
37     return MemoizedCutRodAux(p, n, r);
38 }

下面给出动态规划-自底向上过程参考代码：

int BottomUpCutRod(const int *p, int n)
{
    int *r = new int[n + 1];
    r[0] = 0;

    for (int i = 1; i <= n; ++i)
    {
        int q = -1;
        for (int j = 1; j <= i; ++j)
        {
            int tmp = p[j] + r[i - j];
            q = q > tmp ? q : tmp;
        }
        r[i] = q;
    }

    return r[n];
}

说明：自顶向下与自底向上算法具有相同的渐进运行时间。

最后给出重构解参考代码：

 1 #include <iostream>
 2 using namespace std;
 3
 4 void ExtendedBUCutRod(const int *p, int n, int *r, int *s)
 5 {
 6     r[0] = 0;
 7     for (int i = 1; i <= n; ++i)
 8     {
 9         int q = -1;
10         for (int j = 1; j <= i; ++j)
11         {
12             int tmp = p[j - 1] + r[i - j];
13             if (q < tmp)
14             {
15                 q = tmp;
16                 s[i] = j;
17             }
18         }
19         r[i] = q;
20     }
21 }
22
23 //r[]保存长度为i的钢条最大收益,s[]保存最优解对应的第一段钢条的切割长度
24 void PrintBUCutRod(const int *p, int n, int *r, int *s)
25 {
26     ExtendedBUCutRod(p, n, r, s);
27     cout << "长度为" << n << "的钢条最大收益为:" << r[n] << endl;
28
29     cout << "最优方案的钢条长度分别为:";
30     while (n > 0)
31     {
32         cout << s[n] << " ";
33         n = n - s[n];
34     }
35     cout << endl;
36 }
37
38 //Test
39 int main()
40 {
41     int n;
42     while (cin >> n)
43     {
44         int *p = new int[n];
45         for (int i = 0; i < n; ++i)
46         {
47             cin >> p[i];
48         }
49         int *r = new int[n + 1];
50         int *s = new int[n + 1];
51
52         PrintBUCutRod(p, n, r, s);
53     }
54
55     return 0;
56 }

一个测试案例为：