Динамическое программирование.
Что нужно знать:
динамическое программирование – это способ решения сложных задач путем сведения их к более простым задачам того же типа
с помощью динамического программирования решаются задачи, которые требуют полного перебор вариантов:
«подсчитайте количество вариантов…»
«как оптимально распределить…»
«найдите оптимальный маршрут…»
динамическое программирование позволяет ускорить выполнение программы за счет использования дополнительной памяти; полный перебор не требуется, поскольку запоминаются решения всех задач с меньшими значениями параметров
Пример задания:
У исполнителя Утроитель две команды, которым присвоены номера:
1. прибавь 1
2. умножь на 3
Первая из них увеличивает число на экране на 1, вторая – утраивает его.
Программа для Утроителя – это последовательность команд.
Сколько есть программ, которые число 1 преобразуют в число 20?
Решение (1 способ, составление таблицы):
заметим, что при выполнении любой из команд число увеличивается (не может уменьшаться)
начнем с простых случаев, с которых будем начинать вычисления: для чисел 1 и 2, меньших, чем 3, существует только одна программа, состоящая только из команд сложения; если через обозначить количество разных программ для получения числа N из 1, то .
теперь рассмотрим общий случай, чтобы построить рекуррентную формулу, связывающую с предыдущими элементами последовательности , то есть с решениями таких же задач для меньших N
если число N не делится на 3, то оно могло быть получено только последней операцией сложения, поэтому
если N делится на 3, то последней командой может быть как сложение, так и умножение
поэтому для получения нужно сложить (количество программ с последней командой сложения) и (количество программ с последней командой умножения). В итоге получаем:
если N не делится на 3:
если N делится на 3:
остается заполнить таблицу для всех значений от 1 до N:
N | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 |
| 1 | 1 | 2 | 2 | 2 | 3 | 3 | 3 | 5 | 5 | 5 | 7 | 7 | 7 | 9 | 9 | 9 | 12 | 12 | 12 |
Заметим, что количество вариантов меняется только в тех столбцах, где N делится на 3, поэтому из всей таблицы можно оставить только эти столбцы:
N | 1 | 3 | 6 | 9 | 12 | 15 | 18 | 21 |
| 1 | 2 | 3 | 5 | 7 | 9 | 12 | 15 |
заданное число 20 попадает в последний интервал (от 18 до 21), поэтому …
ответ – 12.
Решение (2 способ, подстановка – вычисления по формулам «с конца»):
п. 1-6 выполняются так же, как и при первом способе; главная задача – получить рекуррентную формулу:
если N не делится на 3:
если N делится на 3:
с начальными условиями
начинаем с заданного конечного числа 20; применяем первую формулу ( ), пока не дойдем до числа, делящегося на 3 (это 18):
далее применяем вторую формулу ( ):
применяем первую формулу для 17:
применяем вторую формулу для обоих слагаемых:
где учтено, что
с помощью первой формулы переходим в правой части к числам, делящимся на 3:
а затем применяем вторую формулу для каждого слагаемого
снова используем первую формулу
а затем – вторую:
и еще раз
ответ – 12.
Решение (3 способ, О.В. Шецова, лицей № 6, г. Дубна):
будем составлять таблицу из трех столбцов: в первом записывается получаемое число от 1 до 20, во втором – какой последней командой может быть получено это число, а в третьем вычисляем количество различных программ для получения этого числа из 1
очевидно, что число 1 может быть получено с помощью одной единственной (пустой) программы:
Число | Как можно получить? | Количество программ |
1 | | 1 |
число 2 не делится на 3, поэтому его можно получить только командой сложения (+1), значит, количество программ для 2 совпадает с количеством программ для 1:
Число | Как можно получить? | Количество программ |
1 | | 1 |
2 | +1 | = 1 |
число 3 делится на 3, поэтому его можно получить с помощью двух команд: +1 (из 2) и *3 (из 1):
Число | Как можно получить? | Количество программ |
1 | | 1 |
2 | +1 | 1 |
3 | +1 *3 | 1 + 1 = 2 |
числа 4 и 5 не делятся на 3, поэтому их можно получить только с помощью команды +1, а число 6 может быть получено двумя командами:
Число | Как можно получить? | Количество программ |
1 | | 1 |
2 | + 1 | 1 |
3 | +1 *3 | 1 + 1 = 2 |
4 | +1 | 2 |
5 | +1 | 2 |
6 | +1 *3 | 2 + 1 = 3 |
следующая группа – 7, 8 (не делятся на 3) и 9 (делится на 3):
Число | Как можно получить? | Количество программ |
1 | | 1 |
2 | +1 | 1 |
3 | + 1 *3 | 1 + 1 = 2 |
4 | +1 | 2 |
5 | +1 | 2 |
6 | +1 *3 | 2 + 1 = 3 |
7 | +1 | 3 |
8 | +1 | 3 |
9 | +1 *3 | 3 + 2 = 5 |
далее – 10, 11 и 12:
Число | Как можно получить? | Количество программ |
1 | | 1 |
2 | +1 | 1 |
3 | +1 *3 | 1 + 1 = 2 |
4 | + 1 | 2 |
5 | +1 | 2 |
6 | +1 *3 | 2 + 1 = 3 |
7 | +1 | 3 |
8 | +1 | 3 |
9 | +1 *3 | 3 + 2 = 5 |
10 | +1 | 5 |
11 | +1 | 5 |
12 | +1 *3 | 5 + 2 = 7 |
и так далее, вот полностью заполненная таблица (до конечного числа 20):
Число | Как можно получить? | Количество программ |
1 | | 1 |
2 | +1 | 1 |
3 | +1 *3 | 1 + 1 = 2 |
4 | +1 | 2 |
5 | + 1 | 2 |
6 | + 1 *3 | 2 + 1 = 3 |
7 | +1 | 3 |
8 | +1 | 3 |
9 | +1 *3 | 3 + 2 = 5 |
10 | +1 | 5 |
11 | +1 | 5 |
12 | +1 *3 | 5 + 2 = 7 |
13 | +1 | 7 |
14 | +1 | 7 |
15 | +1 *3 | 7 + 2 = 9 |
16 | +1 | 9 |
17 | +1 | 9 |
18 | +1 *3 | 9 + 3 = 12 |
19 | +1 | 12 |
20 | +1 | 12 |
ответ – количество программ, с помощью которых можно получить число 20 из 1, – считываем из последней ячейки третьего столбца
ответ – 12.
Решение (4 способ, М.В. Кузнецова и её ученики, г. Новокузнецк):
пусть – искомое конечное число, количества программ получения числа
тогда для построения рекуррентной формулы определения , нужно знать 2 факта:
какой может быть последняя команда и сколько есть видов этого последнего действия?
для каждого «последнего» действия нужно знать число программ получения предыдущего числа, сумма этих количеств и есть искомое значение – число программ получения числа .
Например, общее количество программ получения числа 6 с помощью Утроителя равно , т.к. есть ДВА способа завершения программ получения этого значения: 6=5+1 и 6=2∙3 .
число программ получения числа зависит от числа программ получения предыдущего значения, и что программы получения чисел, кратных 3-м могут завершаться 2-мя способами: или , а все остальные числа получают только первым способом: .
составим рекуррентную формулу для определения числа программ получения числа :
при имеем
если не кратно 3:
если делится на 3:
с помощью это формулы заполняем таблицу следующим образом:
– в первом столбце записываем все натуральные числа от 1 до заданного ;
– во втором столбце – числа, на единицу меньшие (из которых может быть получено последней операцией сложения с 1);
– в третьем столбце для чисел, кратных 3-м, записываем частное от деления числа, записанного в первом столбце, на 3 (из этого числа может быть получено последней операцией умножения на 3);
– в последнем столбце вычисляем , складывая соответствующие значения для тех строк, номера которых записаны во втором и третьем столбцах:
N | N-1 | N/3 | K(N) |
1 | – | | 1 |
2 | 1 | | 1 |
3 | 2 | 1 | 1+1= 2 |
4 | 3 | | 2 |
5 | 4 | | 2 |
6 | 5 | 2 | 2+1=3 |
7 | 6 | | 3 |
8 | 7 | | 3 |
9 | 8 | 3 | 3 + 2=5 |
10 | 9 | | 5 |
11 | 10 | | 5 |
12 | 11 | 4 | 5 + 2 = 7 |
13 | 12 | | 7 |
14 | 13 | | 7 |
15 | 14 | 5 | 7 + 2 = 9 |
16 | 15 | | 9 |
17 | 16 | | 9 |
18 | 17 | 6 | 9+3 = 12 |
19 | 18 | | 12 |
20 | 19 | | 12 |
ответ – 12.
Решение (5 способ, А. Сидоров):
основная идея – число программ, преобразующих начальное число 1 в конечное 20 с помощью заданных в условии команд, равно числу программ, преобразующих конечное число 20 в начальное 1 с помощью обратных команд: «вычти 1» и «раздели на 3»
будем строить «обратное дерево» – дерево всех способов преобразования конечного числа в начальное; это лучше (в сравнении с построением «прямого» дерева, от начального числа к конечному), потому что операция умножения необратима – каждое число можно умножить на 3, но не каждое можно разделить на 3; из-за этого сразу отбрасываются тупиковые ветви, не дающие новых решений
рисуем сокращенное дерево, в котором черные стрелки показывают действие первой команды («прибавь 1»), а красные – действие второй команды («умножь на 3»); красные стрелки подходят только к тем числам, которые делятся на 3:
чтобы получить количество программ для каждого числа из верхней строки, нужно сложить соответствующие количества программ для всех чисел из нижнего ряда, которые не больше данного (программы с умножением), и добавить 1 (программа, состоящая из одних сложений)
очевидно, что для получения 1 существует одна (пустая) программа; тогда для числа 2 тоже получается одна программа, а для числа 3 – две программы:
далее, для чисел 4 и 5 получаем 2 программы (после числа 3 нет «разветвлений» – подходящих красных стрелок) , а для числа 6 – 3 программы, так как «подошло» еще одно разветвление (6 можно получить умножением 2 на 3), а для числа 2 мы уже подсчитали количество программ – оно равно 1:
находить число программ для следующих чисел нам уже не понадобится, потому что при умножении на 3 они дают числа, большие, чем заданное конечное число 20
запишем полученные результаты в самой нижней строке для всех множителей от 1 до 6:
теперь остается сложить все числа в скобках в нижнем ряду (количество программ с командами умножения) и добавить 1 (одна программа, состоящая только из команд сложения):
3 + 2 + 2 + 2 + 1 + 1 + 1 = 12
ответ – 12.
Возможные проблемы: неверно определенные начальные условия неверно выведенная рекуррентная формула ошибки при заполнении таблицы (невнимательность) второй способ (подстановка), как правило, приводит к бОльшему количеству вычислений; конечно, можно отдельно выписывать все полученные ранее значения , но тогда мы фактически придем к табличному методу |