动态规划实现钢条切割问题

动态规划算法的步骤
  1. 刻画一个最优解的结构特征;
  2. 递归地定义最优解的值;
  3. 计算最优解的值;
  4. 利用计算出的信息,构造一个最优解。

钢条切割问题描述

 (1)Serling公司购买长钢条,将其切割为短钢条出售。不同的切割方案,收益是不同的,怎么切割才能有最大的收益呢?假设,切割工序本身没有成本支出。 假定出售一段长度为i英寸的钢条的价格为p i (i=1,2,…)。钢条的长度为n英寸。如下给出一个价格表P。

    

动态规划实现钢条切割问题

  给定一段长度为n英寸的钢条和一个价格表P,求切割钢条方案,使得销售收益 rn 最大。(如果长度为n英寸的钢条的价格p n 足够大,则可能完全不需要切割,出售整条钢条是最好的收益)

   (2)简单给出一个例子

  考虑n=4的时候。如图所示给出4英寸的钢条可能的切割方案

  

动态规划实现钢条切割问题

  8种切割方案,根据图中的价格表,可以看书最优策略是方案c(将钢条切割为两段长度为2英寸的钢条--收益为10)

   (3)长度为n英寸的钢条共有2 n-1 中不同的切割方案。

   如果一个最优解将总长度为n的钢条切割为k段,每段的长度为i ,j(1≤j≤k),则有:n=i 1 +i 2 +…+i k

   得到的最大收益为:r n =p i1 +p i2 +…+p ik

  (4)对上述价格表样例,我们可以观察出所有最优收益值以及对应的切割方案

  r1=1; 切割方案1=1(无切割)

  r2=5; 切割方案2=2(无切割)

  r3=8; 切割方案3=3(无切割)

  r4=10; 切割方案4=2+2

  r5=13; 切割方案5 = 2+3

  r6=17; 切割方案6=6(无切割)

  r7=18; 切割方案7=1+6或者7=2+2+3

  r8=22; 切割方案8=2+6

  r9=25; 切割方案9=2+6

  r10=30; 切割方案10=10(无切割)

  (5)对于长度为n(n≥1)的钢条,设r n 是最优切割的收益对最优切割,若其首次切割在位置i,钢条被分成长度为i和n-i的两段,有:r n= r i + r n-i

  一般情况,任意切割点j都将钢条分为两段,长度分别为j和n-j,1≤j≤n。令r j 和r n-j 分别是这两段的最优切割收益,则该切割可获得的最好收益是:r’ n = r j + r n-j所以有

  

动态规划实现钢条切割问题

钢条切割问题的递归求解过程

 (1)钢条从左边切割下长度为i的一段,然后只对右边剩下的长度为n-i的一段继续进行切割(递归求解),这个时候有

动态规划实现钢条切割问题

 (2)自顶向下的递归实现

  

动态规划实现钢条切割问题

 (3)但是这种算法在n比较大的情况下效率低,因为总是求解相同的子问题,反复的进行自身递归调用。如图是子问题规模为n=4的情况

  

动态规划实现钢条切割问题

  这棵树显示了n=4 的时候的递归调用过程,每个结点的标号为对应的子问题规模n。这可递归调用数总共有2n-1个叶节点。

钢条切割问题的动态规划求解

  对每个子问题只求解一次,并将结果保存下来。不必重新计算。介绍两种方法

 (1)带备忘的自顶向下法

  按照递归的形式编写,使得子问题的求解只依赖于更小的子问题的解。当需要子问题的解的时候,只需要检查是否已经保存过值。如果已经保存过,就直接使用,否则按照通常的方式计算解。

   下面给出算法的伪代码

动态规划实现钢条切割问题

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