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搜索(一)——剪枝

 
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参考文档:《搜索方法中的剪枝优化》——南开中学 齐鑫(见附件《剪枝》)

 

 

一、剪枝优化的核心问题是设计剪枝判断方法,即确定哪些枝条应当舍弃,哪些枝条应当保留的方法。

 

二、剪枝的原则:

1. 正确性:

必须保证不丢失正确的结果 ,这是剪枝优化的前提。
为了满足这个原则,我们就应当利用“必要条件”来进行剪枝判断。也就是说,通过解所必须具备的特征、必须满足的条件等方面来考察待判断的枝条能否被剪枝。这样,就可以保证所剪掉的枝条一定不是正解所在的枝条。当然,由必要条件的定义,我们知道,没有被剪枝不意味着一定可以得到正解(否则,也就不必搜索了)。

 

2. 准确性:尽多剪枝

能够尽可能多的剪去不能通向正解的枝条

 

3. 高效性:权衡“剪枝判断开销”和“剪枝提速效果”

剪枝判断的副作用及其改善:[ 一般说来,设计好剪枝判断方法之后,我们对搜索树的每个枝条都要执行一次判断操作。然而,由于是利用出解的“必要条件”进行判断,所以,必然有很多不含正解的枝条没有被剪枝。这些情况下的剪枝判断操作,对于程序的效率的提高无疑是具有副作用的。为了尽量减少剪枝判断的副作用,我们除了要下功夫改善判断的准确性外,经常还需要提高判断操作本身的时间效率。]
然而这就带来了一个矛盾 :我们为了加强优化的效果,就必须提高剪枝判断的准确性,因此,常常不得不提高判断操作的复杂度,也就同时降低了剪枝判断的时间效率;但是,如果剪枝判断的时间消耗过多,就有可能减小、甚至完全抵消提高判断准确性所能带来的优化效果,这恐怕也是得不偿失。很多情况下,能否较好的解决这个矛盾,往往成为搜索算法优化的关键。

 

三、可行性剪枝

在很多情况下,并不是搜索树中的所有枝条都能通向我们需要的结果,很多的枝条实际上只是一些死胡同。如果我们能够在刚刚进入这样的死胡同的时候,就能够判断出来并立即剪枝

 

四、最优性剪枝 /上下界剪枝

在我们平时遇到的问题中,有一大类是所谓最优化问题,即所要求的结果是最优解。如果我们使用搜索方法来解决这类问题,那么,最优性剪枝是一定要考虑到的。
为了表述的统一,首先要作一些说明:我们知道,解的优劣一般是通过一个评价函数来评判的。这里定义一个抽象的评价函数——“优度”,它的值越大,对应的解也就越优(对于具体的问题,我们可以认为“优度”代表正的收益或负的代价等)。
然后,我们再来回顾一下搜索最优解的过程:一般情况下,我们需要保存一个“当前最优解”,实际上就是保存解的优度的一个下界。在遍历到搜索树的叶子节点的时候,我们就能得到一个新的解,当然也就得到了它的评价函数值,与保存的优度的下界作比较,如果新解的优度值更大,则这个优度值就成为新的下界。搜索结束后,所保存的解就是最优解。
那么,最优性剪枝又是如何进行的呢?当我们处在搜索树的枝条上时,可以通过某种方法估算出该枝条上的所有解的评价函数的上界,即所谓估价函数 。显然, 大于当前保存的优度的下界,是该枝条上存在最优解的必要条件,否则就一定可以剪枝。所以,最优性剪枝也可以称为“上下界剪枝”。同时,我们也可以看到,最优性剪枝的核心问题就是估价函数的建立。

 

例题:

 

1. POJ 2331 Water Pipe==> IDA* +剪枝

    语法注意:一般在使用memset()时,都不要将memset()放到子程序中初始化一个指针参数对应数组,直接在外面memset()就好了。避免出错! 参见“分类C/C++” ==> “指针常量,指针变量(sizeof使用注意)”

 

# include <cstdio>
# include <cstring>
# include <queue>
using namespace std;

int x1,y1,x2,y2;
int k;
int l[5];
int c[5];

int cmin;

//(A*启发函数) h[i][j]是在假设有无限多每种型号的管道时,从(i,j)到目的点(x2,y2)至少还需要多少根管道
int hx[1001];
int hy[1001];

void bfs(int *h, int endPos){
	queue<int> q;

	h[endPos]=0;
	q.push(endPos);

	int curPos;
	while(!q.empty()){
		curPos=q.front();
		q.pop();

		int i;//假设每种型号的管道取之不尽
		for(i=0;i<k;i++){
			if(curPos-l[i]>=1 && h[curPos-l[i]]==-1){
				h[curPos-l[i]]=h[curPos]+1;
				q.push(curPos-l[i]);
			}
			if(curPos+l[i]<=1000 && h[curPos+l[i]]==-1){
				h[curPos+l[i]]=h[curPos]+1;
				q.push(curPos+l[i]);
			}
		}
	}
}
bool dfs(int cur, int depth, int type){
	if(type==0){
	//剪枝
	if(depth+hx[cur]>cmin || hx[cur]==-1)
		return false;
	
	//x深搜到值后,继续深搜y
	if(cur==x2){
		return dfs(y1,depth,1); //注意:不是dfs_y(y1,depth+1)
	}


	int i;
	for(i=0;i<k;i++){
		if(c[i]==0) continue;

		if(cur<x2){
			if(cur+l[i]<=1000){ // 不要反复检查: && hx[curX+l[i]]!=-1){
				c[i]--;
				if(dfs(cur+l[i],depth+1,0))
					return true;
				c[i]++;
			}
			if(cur-l[i]>=1){
				c[i]--;
				if(dfs(cur-l[i],depth+1,0))
					return true;
				c[i]++;
			}
		}else{
			if(cur-l[i]>=1){
				c[i]--;
				if(dfs(cur-l[i],depth+1,0))
					return true;
				c[i]++;
			}
			if(cur+l[i]<=1000){
				c[i]--;
				if(dfs(cur+l[i],depth+1,0))
					return true;
				c[i]++;
			}
		}	
	}

	}else{
	//剪枝
	if(depth+hy[cur]>cmin || hy[cur]==-1)
		return false;

	//y深搜到值
	if(cur==y2){
		return true;
	}

	int i;
	for(i=0;i<k;i++){
		if(c[i]==0) continue;
		//根据大致方向优先向某个方向扩展
		if(cur<y2){
			if(cur+l[i]<=1000){
				c[i]--;
				if(dfs(cur+l[i],depth+1,1))
					return true;
				c[i]++;
			}
			if(cur-l[i]>=1){
				c[i]--;
				if(dfs(cur-l[i],depth+1,1))
					return true;
				c[i]++;
			}
		}else{
			if(cur-l[i]>=1){
				c[i]--;
				if(dfs(cur-l[i],depth+1,1))
					return true;
				c[i]++;
			}
			if(cur+l[i]<=1000){
				c[i]--;
				if(dfs(cur+l[i],depth+1,1))
					return true;
				c[i]++;
			}
		}
		
	}
	}
	return false;
}

int main(void){
	scanf("%d%d%d%d%d",&x1,&y1,&x2,&y2,&k);
	int i,depth_max=0;
	for(i=0;i<k;i++)
		scanf("%d",&l[i]);
	for(i=0;i<k;i++){
		scanf("%d",&c[i]);
		depth_max+=c[i];
	}

	//计算A*启发函数
	memset(hx,-1,sizeof(hx));
	memset(hy,-1,sizeof(hy));
	bfs(hx,x2);
	bfs(hy,y2);

	//迭代加深DFS
	for(cmin=0;cmin<=depth_max;cmin++){//保证cmin在循环内部不被修改
		if(dfs(x1,0,0)) break;
	}

	if(cmin<=depth_max)
		printf("%d",cmin);
	else
		printf("%d",-1);

	return 0;
}
 

 

 

 

 

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