贪心算法:活动选择问题以及贪心选择性质证明

什么时候使用贪婪算法?

– 贪心选择特性:

全局的最优解可以通过局部的最优(贪婪) 选择得到.

• 动态规划需要检查子问题的解。

– 最优子结构: 问题的最优解包含了其子问题的最优解.

• 例如, 如果 A 是S的最优解, 那么 A ' = A - {1} 是 的S'=\{i\in S:s_{i} >=f_{1} \}最优解.

• 贪心算法 (试探) 并不能总是得到最优解.

• 谈论算法和动态规划 (DP)对比

– 相同: 最优子结构

– 差别: 贪婪选择特性

– 如果贪婪算法不是最优的, 可以使用DP 。

活动选择问题

给定一个集合 S = {1, 2, …, n} n个计划的活动,对每个活动 i, 开始时间为 s_{i} 结束时间为 f_{i}, 选择出相互兼容的活动最大集合.

– 如果被选中,活动 i 在半开放的区间[s_{i},f_{i})中进行.

– 活动 i 和j兼容 如果 [s_{i},f_{i}) 和 [s_{j},f_{j}) 不重叠(i.e.,s_{i}\ge{f_{j}} or s_{j}\ge{f_{i}})

问题分析

基本思想

 对应伪代码

贪心选择性质证明

E=\{a_{1},a_{2},...,a_{n}\}为问题所给的活动集合,且E中的活动是按照活动结束时间增序排列的,明显,活动a_{1}为最早结束。

设A是问题的一个最优解,明显有A是E的一个子集。这里设A的第一个活动为k

1:若k=a_{1},即A的第一个活动就是最早结束的,故A是以贪心选择开始的最优解。

2:若k\ne a_{1},设集合B=(A-\{k\})\cup a_{1},即用活动a_{1}替换掉活动k

又因为a_{1}的结束时间小于k,故a_{1}k提取结束。另外由于A中的活动是相容的,故B中的活动也相容。

又因为A中的活动个数和B中的活动个数相同,故B也是最优解(需要注意的是最优解一般不唯一)。

所以B是一个以贪心选择活动a_{1}为开始后的最优活动。

之后假设第k步成立,即按照算法选了i_{1},i_{2},...,i_{k},(i_{1}=a_{1}),现在我们只要证明选i_{k+1}

也是最优解解一部分即可。这是需要注意的是,对i_{k+1},k\ge 1需要满足相同性,且是选结束时间尽可能早的任务.

利用数学归纳法

1:A包含了i_{1},i_{2},...,i_{k},(i_{1}=a_{1})算法选择的前k项活动,假设存在活动选择的最优解的即
A\cup B,如下图所示。

这里将未被选择的活动非为S1和S2两个部分。

值得注意的是,B一定来自于S1,因为S2的所有活动都与A冲突,为了满足相容性,不能被选到。

假设B不是S1的最优解,即S1存在有最优解B'的活动数多于B;

那么第k步的最优解就变为AUB',显然与开始AUB为最优解的假设是矛盾的,因此不成立。

2:证明选结束时间最早的活动,也是最优解。

在S1中,必定存在一个结束时间最早的活动,即i_{k+1}

在A的第一个活动为k时的证明可知,算法的第一步的最优解包含结束时间最早的活动。

因此S1存在最优解B*包含了活动i_{k+1}。B和B*都是S1的最优解。因此两者包含的活动个数相同。

用B*代替B,即AUB的活动与AUB*的活动个数相同,因此最优解的性质不变。

而B*包含了i_{k+1},故证明了AUB*是最优的,所以根据数学归纳法,假设算法的前k项活动是最优的,选第k+1项也是最优解,命题得证。

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