《数据结构、算法与应用C++语言描述》-栈的应用-离线等价类问题

离线等价类问题

问题描述

等价类 :假定一个具有n个元素的集合U=1,2,...,n和一个具有r个关系的集合 R = ( i 1 , j 1 ),( i 2 , j 2 ), ... ,( i r , j r ) R=(i_1,j_1),(i_2,j_2),...,(i_r, j_r) R=(i1,j1),(i2,j2),...,(ir,jr)。关系 R是一个等价关系(equivalence relation),当且仅当如下条件为真:

  • 对于所有的 a ⊂ R a\subset R a⊂R,有(a,a) ⊂ \subset ⊂R时(关系是自反的)。
  • (a,b) ⊂ \subset ⊂R,当且仅当(b,a) ⊂ \subset ⊂R(关系是对称的)。
  • 若(a,b) ⊂ \subset ⊂R且(b,c) ⊂ \subset ⊂R,则有(a,c) ⊂ \subset ⊂R(关系是传递的)。

在给出等价关系R时,我们经常会忽略其中的某些数对,这些数对可以应用等价关系的自反性、对称性和传递性来得到。

如果(a,b) ⊂ \subset ⊂R,则元素a和b是等价的。所谓等价类(equivalence class)是指相互等价的元素的最大集合。"最大"意味着不存在类以外的元素与类内部的元素等价。因为一个元素只能属于一个等价类,等价关系把集合 U划分为不相交的等价类。

举例

例6-3 假定 n=14,R={(1,11),(7,11),(2,12),(12,8),(11,12),(3,13),(4,13),(13,14),(14,9),(5,14),(6,10)}。我们忽略了所有形如(a,a)的数对,因为按照自反性,这些数对是隐含的。同样也忽略了所有对称的数对。因为(1,11) ⊂ \subset ⊂R,所以按照对称性应有(11,1) ⊂ \subset ⊂R。其他被忽略的数对由传递性可以得到。例如,由(7,11)和(11,12),可以得到(7,12) ⊂ \subset ⊂R。

例 6-4 考察例 6-3 中的等价关系。由于元素 1 与 11,11 与 12 是等价的,因此,元素1、11、12是等价的,它们应属于同一个等价类。不过,这三个元素还不能构成一个等价类,因为还有其他的元素与它们等价(例如7)。因此(1,11,12)不是等价元素的最大集合。集合{1,2,7,8,11,12)才是一个等价类。关系R还定义了另外两个等价类:(3,4,5,9,13,14)和(6,10)。注意,这三个等价类是互不相交的。

离线等价类(offline equiralence class)问题 中,已知 n 和 R,确定所有的等价类。由等价类的定义得知,每个元素只能属于一个等价类。
简化问题描述:这个问题的输入是元素数目n、关系对数目r以及r个关系对。目标是把n个元素划分为等价类。

求解策略

求解分为两个阶段。在第一个阶段,我们输入数据,建立 n个表以表示关系对。对每一个关系对(i,j),i放在list[j],j放在list[i]。

例8-3 假定n=9,r=11,且11个关系对是(1,5),(1.6),(3,7),(4,8),(5,2),(6,5),(4,9),(9,7),(7,8),(3,4),(6,2)。9个表是:

list[1]=[5,6]
list[2]=[5,6]
list[3]=[7,4]
list[4]=[8,9,3]
list[5]=[1,2,6]
list[6]=[1,2,5]
list[7]=[3,9,8]
lis[8]=[4,7]
list[9]=[4,7]

在第二个阶段是寻找等价类。为寻找一个等价类,首先要找到该等价类中第一个没有输出的元素。这个元素作为该等价类的种子。该种子作为等价类的第一个成员输出。从这个种子开始,我们找出该等价类的所有其他成员。种子被加到一个表unprocessedList中。从表unprocessedLis中删除一个元素i,然后处理表list[i]。list[i]中所有元素和种子同属一个等价类;将list[i]中还没有作为等价类成员的元素输出,然后加入unprocessedList中。这是一个过程:从表 unprocessedLis 中删除一个元素i,然后把表 list[i]中还没有输出的元素输出,并且加入unprocessedList中。这个过程持续进行到unprocessedList为空。这时我们就找到了一个等价类,然后继续寻找下一个等价类的种子。

例8-4 考虑例8-3。令1 是第一个种子,作为一个等价类的成员被输出,然后加入表unprocessedList中。接下来把1从unprocessedList中删除,然后处理list[1]。元素5和6属于list[1],与1同属一个等价类,它们被输出,然后加入unprocessedList中。将5或6从unprocessedList中删除,然后处理它们所在的表。假定删除的是5。考察list[5]中的元素1、2和6。因为1和6已经输出,所以被忽略。把元素2输出,然后加入unprocessedList中。当unprocessedList中的剩余元素(6和2)被删除和处理,没有其他元素被输出或加入unprocessedList时,unprocessedList成为空表,这时我们便找到了一个等价类。

为找到另一个等价类,我们要寻找一个种子,它是还没有输出的元素。元素 3 还没有输出,因此可以作为下一个等价类得种子。元素3、4、7、8和9作为这个等价类的元素被输出。这时不再有种子,因此我们找到了所有等价类。

代码

cpp 复制代码
#include <iostream>
#include <stack>
using namespace std;

/*离线等价类问题*/
void offlineEquivalenceClass()
{
    int n,//元素个数
    r;//关系个数
    /*输入元素个数n*/
    /*首先成功输入一次*/
    cout << "Enter number of elements(n >= 2):";
    while (!(cin >> n)) {//如果输入类型不匹配,则执行循环体
        cin.clear(); // reset input设置标志位为有效
        while (cin.get() != '\n') //删除没有用的输入
            continue; // get rid of bad input
        cout << "Enter number of elements(n >= 2):";
    }
    /*成功输入一次后检查是否符合要求*/
    while (n < 2) {//如果元素个数小于2,则出错
        cout << "n must be equal or bigger than 2!" << endl;
        cout << "Enter number of elements(n >= 2):";
        while (!(cin >> n)) {//如果输入类型不匹配,则执行循环体
            cin.clear(); // reset input设置标志位为有效
            while (cin.get() != '\n') //删除没有用的输入
                continue; // get rid of bad input
            cout << "Enter number of elements(n >= 2):";
        }
    }

    /*输入关系个数r*/
    /*首先成功输入一次*/
    cout << "Enter number of relations(r >= 1):";
    while (!(cin >> r)) {//如果输入类型不匹配,则执行循环体
        cin.clear(); // reset input设置标志位为有效
        while (cin.get() != '\n') //删除没有用的输入
            continue; // get rid of bad input
        cout << "Enter number of relations(r >= 1):";
    }
    /*成功输入一次后检查是否符合要求*/
    while (r < 1) {//如果元素个数小于2,则出错
        cout << "r must be equal or bigger than 1!" << endl;
        cout << "Enter number of relations(r >= 1):";
        while (!(cin >> r)) {//如果输入类型不匹配,则执行循环体
            cin.clear(); // reset input设置标志位为有效
            while (cin.get() != '\n') //删除没有用的输入
                continue; // get rid of bad input
            cout << "Enter number of relations(r >= 1):";
        }
    }

    /*建立空栈组成的数组,stack[0]不用,用于存储表格*/
    stack<int>* list = new stack<int>[n + 1];

    /*输入r个关系,存储在表中*/
    int a, b;//(a,b)是一个关系
    for (int i = 1; i <= r; i++)
    {
        cout << "Enter next relation/pair:";
        while (!(cin >> a >> b)) {//如果输入类型不匹配,则执行循环体
            cin.clear(); // reset input设置标志位为有效
            while (cin.get() != '\n') //删除没有用的输入
                continue; // get rid of bad input
            cout << "Enter error!Enter current relation/pair:";
        }
        list[a].push(b);
        list[b].push(a);
    }

    /*初始化已输出等价类*/
    stack<int> unprossedList;
    bool* out = new bool[n + 1];//判断该元素是否输出
    for (int i = 1; i <= n; i++)
        out[i] = false;

    /*输出等价类*/
    for (int i = 1; i <= n; i++)
    {
        if (!out[i])
        {
            cout << "Next class is:" << i << " ";
            out[i] = true;
            unprossedList.push(i);
            //从unprossedList中取类的剩余元素
            while (!unprossedList.empty())
            {
                int j = unprossedList.top();
                unprossedList.pop();
                while (!list[j].empty())
                {
                    int q = list[j].top();
                    list[j].pop();
                    if (!out[q]) //未输出
                    {
                        cout << q << " ";
                        out[q] = true;
                        unprossedList.push(q);
                    }
                }
            }
            cout << endl;
        }
    }
    cout << "End of list of eqivalence classes." << endl;
}


int main()
{
    cout << "offlineEquivalenceClass()*******" << endl;
    offlineEquivalenceClass();
    return 0;
}

运行结果

C:\Users\15495\Documents\Jasmine\Work\coding\cmake-build-debug\coding.exe
offlineEquivalenceClass()*******
Enter number of elements(n >= 2):14
Enter number of relations(r >= 1):11
Enter next relation/pair:1 11
Enter next relation/pair:7 11
Enter next relation/pair:2 12
Enter next relation/pair:12 8
Enter next relation/pair:11 12
Enter next relation/pair:3 13
Enter next relation/pair:4 13
Enter next relation/pair:13 14
Enter next relation/pair:14 9
Enter next relation/pair:5 14
Enter next relation/pair:6 10
Next class is:1 11 12 7 8 2 
Next class is:3 13 14 4 5 9
Next class is:6 10
End of list of eqivalence classes.

Process finished with exit code 0
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