算法-动态规划-钢条切割问题

钢条切割问题是一个经典的动态规划问题,旨在通过切割钢条获得最大收益。以下是详细解释和解决方案:

问题描述

  • 给定长度为 n 的钢条和价格表 p,其中 p[i] 表示长度为 i 的钢条的价格(i = 1, 2, ..., n)。
  • 目标:找到切割方案,使销售收益最大化。

动态规划解法

核心思想
  • 最优子结构 :长度为 n 的钢条的最优解包含子问题的最优解(例如,切割成两段后,每段的最优解)。
  • 递归关系
    • r[i] 为长度为 i 的钢条的最大收益。

    • 初始值:r[0] = 0(长度为 0 的钢条收益为 0)。

    • 递推公式:

      ri = max_{1≤j≤min(i, m)} { pj + ri - j }

      其中 m 是价格表的最大长度(即 m = len(p)),j 是第一段切割的长度。

算法步骤
  1. 初始化

    • 创建数组 r[0..n] 存储最大收益,r[0] = 0
    • 创建数组 s[0..n] 存储切割方案,s[i] 记录长度为 i 时第一段切割的长度。
  2. 自底向上计算

    • 遍历长度 i 从 1 到 n
      • 初始化 q = -∞(临时变量,存储当前最大收益)。
      • 遍历切割长度 j 从 1 到 i
        • j 超出价格表范围(j > m),跳过。
        • 否则,计算收益 temp = p[j] + r[i - j]
        • temp > q,更新 q = temp 并记录 s[i] = j
      • 设置 r[i] = q
  3. 回溯切割方案

    • i = n 开始:
      • 输出 s[i](第一段切割长度)。
      • 更新 i = i - s[i],重复直到 i = 0

时间复杂度和空间复杂度

  • 时间复杂度O(n^2)(双重循环)。
  • 空间复杂度O(n)(存储 rs 数组)。

示例演示

假设 n = 4,价格表 p = [0, 1, 5, 8, 9](索引从 1 开始):

  • 计算过程
    • i=1j=1r[1] = p[1] + r[0] = 1s[1]=1
    • i=2j=11 + r[1]=2j=25 + r[0]=5r[2]=5, s[2]=2
    • i=3j=38 + r[0]=8r[3]=8, s[3]=3
    • i=4j=25 + r[2]=10r[4]=10, s[4]=2
  • 切割方案4 → 2 + 2(收益 5 + 5 = 10)。

**代码实现(Python)

python 复制代码
def rod_cutting(n, p):
    m = len(p) - 1  # 价格表最大长度(索引从1开始)
    r = [-10**18] * (n + 1)  # 最大收益数组
    s = [0] * (n + 1)         # 切割方案数组
    r[0] = 0     # 初始化
    
    # 动态规划填表
    for i in range(1, n + 1):
        q = -10**18
        for j in range(1, i + 1):
            if j > m:  # j超出价格表范围
                continue
            temp = p[j] + r[i - j]
            if temp > q:
                q = temp
                s[i] = j
        r[i] = q
    
    # 回溯切割方案
    solution = []
    i = n
    while i > 0:
        solution.append(s[i])
        i -= s[i]
    
    return r[n], solution

示例

n = 4

p = 0, 1, 5, 8, 9 # p0无效,p1=1, p2=5, ...

max_profit, cuts = rod_cutting(n, p)

print("最大收益:", max_profit) # 输出: 10

print("切割方案:", cuts) # 输出: 2, 2

关键点

  • 价格表处理 :索引从 1 开始,p[j] 直接对应长度 j 的价格。
  • 边界处理 :当 j > m 时跳过(长度超出价格表范围)。
  • 方案回溯 :利用 s 数组逐步还原切割段。

此方法高效地解决了钢条切割问题,适用于任意长度的钢条和价格表。

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