簡介
枚舉法是利用計算機運算速度快、精確度高的特點,對要解決問題的所有可能情況,一個不漏地進行檢驗,從中找出符合要求的答案,因此枚舉法是通過犧牲時間來換取答案的全面性。
在 數學和 計算機科學理論中,一個集的 枚舉是列出某些有窮序列集的所有成員的 程式,或者是一種特定類型對象的 計數。這兩種類型經常(但不總是)重疊。
特點
將問題的所有可能的答案一一 列舉,然後根據條件判斷此答案是否合適,合適就保留,不合適就丟棄。例如:找出1到100之間的素數,需要將1到100之間的所有 整數進行判斷。
枚舉算法因為要列舉問題的所有可能的答案,所有它具備以下幾個特點:
1、得到的結果肯定是正確的;
2、可能做了很多的無用功,浪費了寶貴的時間,效率低下。
3、通常會涉及到求 極值(如最大,最小,最重等)。
4、數據量大的話,可能會造成時間崩潰。
結構
枚舉算法的一般結構:while 循環。
首先考慮一個問題:將1到100之間的所有整數轉換為 二進制數表示。
算法一
for i:=1 to 100 do begin
將i轉換為 二進制,採用不斷除以2, 餘數即為轉換為2進制以後的結果。一直除商為0為止。
end;
算法二
二進制加法,此時需要數組來幫忙。
program p;
var a:array[1..100] of integer; {用於保存轉換後的二進制結果}
i,j,k:integer;
begin
fillchar(a,sizeof(a),0); {100個數組元素全部初始化為0}
for i:=1 to 100 do begin
k:=100;
while a[k]=1 do dec(k); {找高位第一個為0的位置}
a[k]:=1; {找到了立刻賦值為1}
for j:=k+1 to 100 do a[j]:=0; {它後面的低位全部賦值為0}
k:=1;
while a[k]=0 do inc(k); {從最高位開始找不為0的位置}
write('(',i,')2=");
for j:=k to 100 do write(a[j]); {輸出轉換以後的結果}
writeln;
end;
end.
枚舉法,常常稱之為 窮舉法,是指從可能的集合中一一枚舉各個元素,用題目給定的約束條件判定哪些是無用的,哪些是有用的。能使命題成立者,即為問題的解。
基本思路
採用枚舉算法解題的基本思路:
(1)確定枚舉對象、枚舉範圍和判定條件;
(2)枚舉可能的解,驗證是否是問題的解。
實例分析
例1
百錢買百雞問題:有一個人有一百塊錢,打算買一百隻雞。到市場一看,大雞三塊錢一隻,小雞一塊錢三隻,不大不小的雞兩塊錢一隻。現在,請你編一程式,幫他計畫一下,怎么樣買法,才能剛好用一百塊錢買一百隻雞?
此題很顯然是用枚舉法,我們以三種雞的個數為枚舉對象(分別設為x,y,z),以三種雞的總數(x+y+z)和買雞用去的錢的總數(x*3+y*2+z/3)為判定條件,窮舉各種雞的個數。
下面是解這個百雞問題的程式
var x,y,z:integer;
begin
for x:=0 to 100 do
for y:=0 to 100 do
for z:=0 to 100 do{枚舉所有可能的解}
if (x+y+z=100)and(x*3+y*2+z div 3=100)and(z mod 3=0)then writeln("x=",x,"y=",y,"z=",z); {驗證可能的解,並輸出符合題目要求的解}
end.
上面的條件還有最佳化的空間,三種雞的和是固定的,我們只要枚舉二種雞(x,y),第三種雞就可以根據 約束條件求得(z=100-x-y),這樣就縮小了枚舉範圍,請看下面的程式:
var x,y,z:integer;
begin
for x:=0 to 100 do
for y:=0 to 100-x do
begin
z:=100-x-y;
if (x*3+y*2+z div 3=100)and(z mod 3=0)then writeln("x=",x,"y=",y,"z=",z);
end;
end.
未經最佳化的程式循環了1013 次,時間複雜度為O(n3);最佳化後的程式只循環了(102*101/2)次 ,時間複雜度為O(n2)。從上面的對比可以看出,對於枚舉算法,加強約束條件,縮小枚舉的範圍,是程式最佳化的主要考慮方向。
例2
將1,2...9共9個數分成三組,分別組成三個三位數,且使這三個三位數構成1:2:3的比例,試求出所有滿足條件的三個三位數.
在枚舉算法中,枚舉對象的選擇也是非常重要的,它直接影響著算法的時間複雜度,選擇適當的枚舉對象可以獲得更高的效率。
例如:三個三位數192,384,576滿足以上條件.(NOIP1998pj)
算法分析:這是1998年全國分區聯賽普及組試題(簡稱NOIP1998pj,以下同)。此題數據規模不大,可以進行枚舉,如果我們不加思地以每一個 數位為枚舉對象,一位一位地去枚舉:
for a:=1 to 9 do
for b:=1 to 9 do
………
for i:=1 to 9 do
這樣下去,枚舉次數就有99次,如果我們分別設三個數為x,2x,3x,以x為枚舉對象,窮舉的範圍就減少為93,在細節上再進一步最佳化,枚舉範圍就更少了。程式如下:
var
t,x:integer;
s,st:string;
c:char;
begin
for x:=123 to 333 do{枚舉所有可能的解}
begin
t:=0;
str(x,st);{把整數x轉化為字元串,存放在st中}
str(x*2,s); st:=st+s;
str(x*3,s); st:=st+s;
for c:="1' to '9' do{枚舉9個字元,判斷是否都在st中}
if pos(c,st)<>0 then inc(t) else break;{如果不在st中,則退出循環}
if t=9 then writeln(x,' ',x*2,' ',x*3);
end;
end.
在枚舉法解題中,判定條件的確定也是很重要的,如果 約束條件不對或者不全面,就窮舉不出正確的結果, 我們再看看下面的例子。
例3
一元三次方程求解(noip2001tg)
問題描述 有形如:ax3+bx2+cx+d=0 這樣的一個一元三次方程。給出該方程中各項的係數(a,b,c,d 均為實數),並約定該方程存在三個不同實根(根的範圍在-100至100之間),且根與根之差的絕對值>=1。
要求由小到大依次在同一行輸出這三個 實根(根與根之間留有空格),並精確到小數點後2位。
提示:記方程f(x)=0,若存在2個數x1和x2,且x1<0,則在(x1,x2)之間一定有一個根。
樣例
輸入:1 -5 -4 20
輸出:-2.00 2.00 5.00
算法分析:由題目的提示很符合 二分法求解的原理,所以此題可以用二分法。用二分法解題相對於枚舉法來說很要複雜很多。此題是否能用枚舉法求解呢?再分析一下題目,根的範圍在-100到100之間,結果只要保留 兩位小數,我們不妨將根的值域擴大100倍(-10000<=x<=10000),再以根為枚舉對象,枚舉範圍是-10000到10000,用原 方程式進行一一驗證,找出 方程的解。
有的同學在比賽中是這樣做
var
k:integer;
a,b,c,d,x :real;
begin
read(a,b,c,d);
for k:=-10000 to 10000 do
begin
x:=k/100;
if a*x*x*x+b*x*x+c*x+d=0 then write(x:0:2,' ');
end;
end.
重點
用這種方法,很快就可以把程式編出來,再將樣例數據代入測試也是對的,等成績下來才發現這題沒有全對,只得了一半的分。
這種解法為什麼是錯的呢?錯在哪裡?前面的分析好象也沒錯啊,難道這題不能用枚舉法做嗎? 看到這裡大家可能有點迷惑了。
在上面的解法中,枚舉範圍和枚舉對象都沒有錯,而是在驗證枚舉結果時,判定條件用錯了。因為要保留二位小數,所以求出來的解不一定是方程的精確根,也許會正好離精確根差一點,再代入ax3+bx2+cx+d中,所得的結果也就不一定等於0,因此用原方程ax3+bx2+cx+d=0作為判斷條件是不準確的。
我們換一個角度來思考問題,設f(x)=ax3+bx2+cx+d,若x為方程的根,則根據提示可知,必有f(x-0.005)*(x+0.005)<0,如果我們以此為枚舉判定條件,問題就逆刃而解。另外,如果f(x-0.005)=0,那么就說明x-0.005是方程的根,這時根據 四捨五入,方程的根也為x。(不用f(x+0.005)是由於這個問題是有下個循環解決)所以我們用(f(x-0.005)*f(x+0.005)<0) 和 (f(x-0.005)=0)作為判定條件。為了程式設計的方便,我們設計一個函式f(x)計算ax3+bx2+cx+d的值,程式如下:
{$N+}
var
k:integer;
a,b,c,d,x:extended;
function f(x:extended):extended; {計算ax3+bx2+cx+d的值}
begin
f:=((a*x+b)*x+c)*x+d;
end;
begin
read(a,b,c,d);
for k:=-10000 to 10000 do
begin
x:=k/100;
if (f(x-0.005)*f(x+0.005)<0) or (f(x-0.005)=0) then write(x:0:2,' '); {若x兩端的函式值異號或x-0.005剛好是方程的根,則確定x為方程的根}
end;
end.
優缺點
缺點
用枚舉法解題的最大的缺點是運算量比較大,解題效率不高,如果枚舉範圍太大(一般以不超過兩百萬次為限),在時間上就難以承受。但枚舉算法的思路簡單,程式編寫和調試方便,比賽時也容易想到,在競賽中,時間是有限的,我們競賽的最終目標就是求出問題解,因此,如果題目的規模不是很大,在規定的時間與空間限制內能夠求出解,那么我們最好是採用枚舉法,而不需太在意是否還有更快的算法,這樣可以使你有更多的時間去解答其他難題。
優點
由於枚舉法一般是現實生活中問題的“直譯”,因此比較直觀,易於理解;枚舉法建立在考察大量狀態、甚至是窮舉所有狀態的基礎上,所以算法的正確性比較容易證明。
枚舉法的最佳化
枚舉法的時間複雜度可以用狀態總數*考察單個狀態的耗時來表示,因此最佳化主要是:
⑴減少狀態總數(即減少枚舉變數和枚舉變數的值域)
⑵降低單個狀態的考察代價
最佳化過程從幾個方面考慮。具體講
⑴提取有效信息
⑵減少重複計算
⑶將原問題化為更小的問題
⑷根據問題的性質進行截枝
⑸引進其他算法