Bài giảng Phân tích và thiết kế thuật toán - Phạm Thế Bảo - Chương 9: Kỹ thuật Greedy (Tham Lam)

14/04/2008
1
KỸ THUẬT GREEDY 
(THAM LAM)
Phạm Thế Bảo
Khoa Toán – Tin học 
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM
Bài toán tối ưu tổ hợp
• Là một dạng của bài toán tối ưu, dạng tổng quát:
– Cho hàm f(X), là hàm mục tiêu, xác định trên một tập
hữu hạn các phần tử D.
Mỗi phần tử X∈D có dạng X (x x x ) gọi là– = 1, 2, …, n
một phương án.
– Tìm một phương án X0∈D sao cho f(X) đạt max (hay
min) trên D. X0 được gọi là phương án tối ưu.
• Cách giải quyết:
Vét cạn–
– Toán học: ngành tối ưu – khó
– Kỹ thuật Greedy (tham lam).
Phạm Thế Bảo
14/04/2008
2
Kỹ thuật Greedy
• Để xây dựng một lời giải tối ưu (toàn cục) thì
hú t ẽ tì á lời iải ( ) tối bộc ng a s m c c g xi ưu cục
và xem như tập hợp các lời giải tối ưu cục bộ
sẽ chính là lời giải tôi ưu cần tìm.
• Trong nhiều trường hợp phương pháp này
chưa chắc cho lời giải tối ưu toàn cục. Nhưng
đây là phương pháp khả thi cài đặt trên máy
tính.
Phạm Thế Bảo
Bài toán trả tiền của ATM
• Trong máy có chuNn bị sẵn các loại tiền 10K,
20K 50K à 100K Giả ử ố l khô h, v . s s ượng ng ạn
chế. Khi có một khách hàng cần rút N đồng,
với N chia hết cho 10K. Tìm một phương án
trả N đồng và số lượng tờ ít nhất.
• Cách giải:
– Gọi X=(x1, x2, x3, x4) là một phương án trả tiền,
với xi (i=1..4) lần lượt là số lượng tờ tiền có mệnh
giá tương ứng 10K, 20K, 50K, 100K.
Phạm Thế Bảo
14/04/2008
3
– Theo đề bài thì 10Kx1+20Kx2+50Kx3+100Kx4=N
và (x1+x2+x3+x4) nhỏ nhất.
– Áp dụng kỹ thuật Greedy: tìm x4 lớn nhất có thể
sau đó tìm x3 lớn có thể còn lại, …Æ lời giải.
• Ví d : khách cần rút 1 480 000 đồngụ . .
– Đáp án = (14,1,1,1)
Phạm Thế Bảo
Bài tập: Cài đặt chương trình
Bài toán đường đi người giao hàng
• Bài toán nổi tiếng – bài toán đường đi người giao
hàng – Traveling Saleman Problem (TSP): Có
một người giao hàng cần giao hàng tại N thành
phố. Xuất phát từ một thành phố, đi qua tất cả các
thành phố và quay về nơi xuất phát, mỗi thành
phố chỉ đi qua một lần. Giả thiết rằng mỗi thành
phố đều có đường đi đến thành phố còn lại. Hãy
tìm một phương án để anh ta tốn chi phí thấp nhất
ể(chi phí có th là khoảng cách, cước phí di
chuyển, thời gian di chuyển ,…).
• Còn được gọi là bài toán người du lịch.
Phạm Thế Bảo
14/04/2008
4
• Cách giải quyết:
– Định nghĩa một đồ thị, mỗi thành phố là một đỉnh
trong đồ thị, khoảng cách giữa các thành phố là đại
lượng ta cần quan tâm (ví dụ: khoảng cách, chi phí,
…)Æ đi tìm chu trình Hamilton nhỏ nhất.
ấ– Vét cạn: có t t cả ÆO( )
– Kỹ thuật Greedy:
• Thuật giải:
1. sắp các cạnh theo thứ tự tăng
2. Xét các cạnh có độ dài từ nhỏ đến lớn để đưa vào chu trình.
3. Một cạnh được đưa vào chu trình nếu cạnh thỏa hai điều kiện:
» Không tạo chu trình thiếu (không đi qua đủ N đỉnh)
» Không tạo thành một đỉnh có cấp ≥3 (không có nhiều hơn
2 cạnh xuất phát từ một đỉnh – giả thiết bài toán chỉ đi qua
một lần).
– Lặp lại bước 3 đến khi có chu trình
Phạm Thế Bảo
• Độ phức tạp chỉ còn O( ).
• Ứng dụng mở rộng: một máy hàn các điểm
được điều khiển bằng máy tính. Bắt đầu từ một
điểm và kết thúc tại điểm đó (giống máy may
công nghiệp). N hiệm vụ tìm phương án di
chuyển sao cho ít nhất.
• Ví dụ: có 6 điểm có tọa độ tương ứng: a(0,0),
b(4,3), c(1,7), d(15,7), e(15,4) và f(18,0)
ấ–Æ có 15 cạnh, cạnh de nhỏ nh t =3
Phạm Thế Bảo
14/04/2008
5
d(15,7)
c(1,7)
b(4,3)
e(15,4)
3
5
5
5
7.08
Phạm Thế Bảo
f(18,0)
a(0,0)
Chu trình thiếu (a,b,c,a) Æloại ac
Tương tự loại cạnh df
d(15,7)
c(1,7)
b(4,3)
e(15,4)
3
5
5
5
Phạm Thế Bảo
f(18,0)
a(0,0) Loại vì tạo đỉnh cấp 3
Tương loại cạnh bd
14/04/2008
6
d(15,7)
c(1,7)
Tối ưu, tổng độ dài = 48.39
b(4,3)
e(15,4)
3
5
5
5
Phạm Thế Bảo
f(18,0)
a(0,0)
Tổng độ dài =50
Đây là phương án tốt nhưng chưa tối ưu
Bài toán cái ba lô
• Cho một cái ba lô có thể đựng trọng lượng W với
n loại đồ vật, mỗi đồ vật i có trọng lượng gi và giá
trị vi. Chọn một cách lựa chọn sao cho tổng trọng
không quá W nhưng tổng giá trị là lớn nhất.
• Áp dụng kỹ thuật Greedy:
– Tính đơn giá cho từng loại đồ vật
– Xếp theo đơn giá giảm dần
Với mỗi loại đồ vật sẽ lấy số lượng tối đa mà trọng–
lương của ba lô còn cho phép.
– Xác định lại trọng lượng ba lô, quay lại bước 3 cho
đến khi không bỏ thêm vào được nữa.
Phạm Thế Bảo
14/04/2008
7
• Ví dụ: có ba lô có trọng lượng 37 và 4 loại đồ
vật như bảng.
Loại đồ vật Trọng lượng Giá trị
A 15 30
– Từ bảng trên ta tính đơn giá và sắp lại theo đơn giá
B 10 25
C 2 2
D 4 6
Loại đồ vật Trọng lượng Giá trị Đơn giá
Phạm Thế Bảo
B 10 25
A 15 30
D 4 6
C 2 2
• Theo bảng thứ tự ưu tiên là B,A,D và C:
– Vật B, chọn tối đa là 3 cái, vì mỗi cái trọng lượng
là 10Æ trọng lượng ba lô còn lại = 7.
– Vật A không chọn được vì trọng lượng vật A là 15,
trong khi ba lô chỉ còn 7.
– Vật D, chọn được 1 cái Æ trọng lượng ba lô còn
lại = 3.
– Vật C, chọn được 1 cái.
Tổng trọng lượng của ba lô là–
– Tổng giá trị của ba lô là
Phạm Thế Bảo