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我正在尝试实现一个类,该类将在给定元素数量和组合大小的情况下生成所有可能的无序 n 元组或组合。

换句话说,当调用这个时:

NTupleUnordered unordered_tuple_generator(3, 5, print);
unordered_tuple_generator.Start();

print() 是在构造函数中设置的回调函数。输出应该是:

{0,1,2}
{0,1,3}
{0,1,4}
{0,2,3}
{0,2,4}
{0,3,4}
{1,2,3}
{1,2,4}
{1,3,4}
{2,3,4}

这是我到目前为止所拥有的:

class NTupleUnordered {
public:
    NTupleUnordered( int k, int n, void (*cb)(std::vector<int> const&) );
    void Start();
private:
    int tuple_size;                            //how many
    int set_size;                              //out of how many
    void (*callback)(std::vector<int> const&); //who to call when next tuple is ready
    std::vector<int> tuple;                    //tuple is constructed here
    void add_element(int pos);                 //recursively calls self
};

这是递归函数的实现,Start() 只是一个启动函数,具有更清晰的接口,它只调用 add_element(0);

void NTupleUnordered::add_element( int pos )
{

  // base case
  if(pos == tuple_size)
  {
      callback(tuple);   // prints the current combination
      tuple.pop_back();  // not really sure about this line
      return;
  }

  for (int i = pos; i < set_size; ++i)
  {
    // if the item was not found in the current combination
    if( std::find(tuple.begin(), tuple.end(), i) == tuple.end())
    {
      // add element to the current combination
      tuple.push_back(i);
      add_element(pos+1); // next call will loop from pos+1 to set_size and so on

    }
  }
}

如果我想生成恒定 N 大小的所有可能组合,可以说大小为 3 的组合,我可以这样做:

for (int i1 = 0; i1 < 5; ++i1) 
{
  for (int i2 = i1+1; i2 < 5; ++i2) 
  {
    for (int i3 = i2+1; i3 < 5; ++i3) 
    {
        std::cout << "{" << i1 << "," << i2 << "," << i3 << "}\n";
    }
  }
}

如果 N 不是常数,则需要一个递归函数,通过在其自己的框架中执行每个 for 循环来模仿上述函数。当for循环终止时,程序返回到前一帧,也就是回溯。

我总是遇到递归问题,现在我需要将它与回溯结合起来以生成所有可能的组合。我在做什么错的任何指示?我应该做什么或我忽略了什么?

PS:这是一项大学作业,其中还包括对有序 n 元组做同样的事情。

提前致谢!

///////////////////////////////////////// /////////////////////////////////

只是想跟进正确的代码,以防万一其他人想知道同样的事情。

void NTupleUnordered::add_element( int pos)
{

  if(static_cast<int>(tuple.size()) == tuple_size)
  {
    callback(tuple);
    return;
  }

  for (int i = pos; i < set_size; ++i)
  {
        // add element to the current combination
        tuple.push_back(i);
        add_element(i+1); 
        tuple.pop_back();     
  }
}

对于有序 n 元组的情况:

void NTupleOrdered::add_element( int pos )
{
  if(static_cast<int>(tuple.size()) == tuple_size)
  {
    callback(tuple);
    return;
  }

  for (int i = pos; i < set_size; ++i)
  {
    // if the item was not found in the current combination
    if( std::find(tuple.begin(), tuple.end(), i) == tuple.end())
    {
        // add element to the current combination
        tuple.push_back(i);
        add_element(pos);
        tuple.pop_back();

    }
  }
}

谢谢杰森的彻底回复!

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3 回答 3

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考虑形成 N 个组合的一个好方法是将结构视为组合树。然后,遍历该树成为一种自然的方式来思考您希望实现的算法的递归性质,以及递归过程将如何工作。

例如,假设我们有序列 ,{1, 2, 3, 4}并且我们希望找到该集合中的所有 3 组合。组合的“树”将如下所示:

                              root
                        ________|___
                       |            | 
                     __1_____       2
                    |        |      |
                  __2__      3      3
                 |     |     |      |
                 3     4     4      4

使用前序遍历从根开始遍历,并在到达叶节点时识别组合,我们得到组合:

{1, 2, 3}
{1, 2, 4}
{1, 3, 4}
{2, 3, 4}

所以基本上这个想法是使用索引值对数组进行排序,对于我们递归的每个阶段(在这种情况下是树的“级别”),递增到数组中以获得将是的值包含在组合集中。另请注意,我们只需要递归 N 次。因此,您将拥有一些递归函数,其签名如下所示:

void recursive_comb(int step_val, int array_index, std::vector<int> tuple);

其中step_val表示我们必须递归多远,array_index值告诉我们在集合中的哪个位置开始向 中添加值tupletuple一旦完成, 将成为集合中组合的实例。

然后,您需要recursive_comb从另一个非递归函数调用,该函数基本上通过初始化tuple向量并输入最大递归步骤(即我们想要在元组中的值的数量)来“开始”递归过程:

void init_combinations()
{
    std::vector<int> tuple;
    tuple.reserve(tuple_size); //avoids needless allocations
    recursive_comb(tuple_size, 0, tuple);
}

最后,您的recusive_comb功能将类似于以下内容:

void recursive_comb(int step_val, int array_index, std::vector<int> tuple)
{
    if (step_val == 0)
    {
        all_combinations.push_back(tuple); //<==We have the final combination
        return;
    }

    for (int i = array_index; i < set.size(); i++)
    {
        tuple.push_back(set[i]);
        recursive_comb(step_val - 1, i + 1, tuple); //<== Recursive step
        tuple.pop_back(); //<== The "backtrack" step
    }

    return;
}

您可以在此处查看此代码的工作示例:http: //ideone.com/78jkV

请注意,这不是算法的最快版本,因为我们正在采用一些我们不需要的额外分支,这会创建一些不必要的复制和函数调用等......但希望它能够理解递归和回溯,以及两者如何协同工作。

于 2012-03-04T06:02:04.087 回答
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我个人会选择一个简单的迭代解决方案。

将您的一组节点表示为一组位。如果您需要 5 个节点,则有 5 个位,每个位代表一个特定节点。如果你想要 3 个在你的元组中,那么你只需要设置 3 个位并跟踪它们的位置。

基本上,这是对所有不同节点组合子集的简单变体。经典实现是将节点集表示为整数。整数中的每一位代表一个节点。然后空集为0。然后您只需递增整数,每个新值就是一组新节点(表示节点集的位模式)。只是在这个变体中,您确保始终有 3 个节点打开。

只是为了帮助我认为我从活动的 3 个顶级节点 { 4、3、2} 开始。然后我倒数。但是将其修改为从另一个方向计算将是微不足道的。

#include <boost/dynamic_bitset.hpp>
#include <iostream>


class TuppleSet
{
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& stream, TuppleSet const& data);

    boost::dynamic_bitset<> data;    // represents all the different nodes
    std::vector<int>        bitpos;  // tracks the 'n' active nodes in the tupple

    public:
        TuppleSet(int nodes, int activeNodes)
            : data(nodes)
            , bitpos(activeNodes)
        {
            // Set up the active nodes as the top 'activeNodes' node positions.
            for(int loop = 0;loop < activeNodes;++loop)
            {
                bitpos[loop]        = nodes-1-loop;
                data[bitpos[loop]]  = 1;
            }
        }
        bool next()
        {
            // Move to the next combination
            int bottom  = shiftBits(bitpos.size()-1, 0);
            // If it worked return true (otherwise false)
            return bottom >= 0;
        }
    private:
        // index is the bit we are moving. (index into bitpos)
        // clearance is the number of bits below it we need to compensate for.
        //
        //  [ 0, 1, 1, 1, 0 ]   =>    { 3, 2, 1 }
        //             ^
        //             The bottom bit is move down 1 (index => 2, clearance => 0)
        //  [ 0, 1, 1, 0, 1]    =>    { 3, 2, 0 }
        //                ^
        //             The bottom bit is moved down 1 (index => 2, clearance => 0)
        //             This falls of the end
        //          ^
        //             So we move the next bit down one (index => 1, clearance => 1)
        //  [ 0, 1, 0, 1, 1]
        //                ^
        //             The bottom bit is moved down 1 (index => 2, clearance => 0)
        //             This falls of the end
        //             ^
        //             So we move the next bit down one (index =>1, clearance => 1)
        //             This does not have enough clearance to move down (as the bottom bit would fall off)
        //      ^      So we move the next bit down one (index => 0, clearance => 2)
        // [ 0, 0, 1, 1, 1] 
        int shiftBits(int index, int clerance)
        {
            if (index == -1)
            {   return -1;
            }
            if (bitpos[index] > clerance)
            {
                --bitpos[index];
            }
            else
            {
                int nextBit = shiftBits(index-1, clerance+1);
                bitpos[index] = nextBit-1;
            }
            return bitpos[index];
        }
};

std::ostream& operator<<(std::ostream& stream, TuppleSet const& data)
{
    stream << "{ ";
    std::vector<int>::const_iterator loop = data.bitpos.begin();
    if (loop != data.bitpos.end())
    {
        stream << *loop;
        ++loop;
        for(; loop != data.bitpos.end(); ++loop)
        {
            stream << ", " << *loop;
        }
    }
    stream << " }";
    return stream;
}

主要是微不足道的:

int main()
{
    TuppleSet   s(5,3);

    do
    {
        std::cout << s << "\n";
    }
    while(s.next());
}

输出是:

{ 4, 3, 2 }
{ 4, 3, 1 }
{ 4, 3, 0 }
{ 4, 2, 1 }
{ 4, 2, 0 }
{ 4, 1, 0 }
{ 3, 2, 1 }
{ 3, 2, 0 }
{ 3, 1, 0 }
{ 2, 1, 0 }

使用循环的 shiftBits() 版本

    int shiftBits()
    {
        int bottom   = -1;
        for(int loop = 0;loop < bitpos.size();++loop)
        {
            int index   = bitpos.size() - 1 - loop;
            if (bitpos[index] > loop)
            {
                bottom = --bitpos[index];
                for(int shuffle = loop-1; shuffle >= 0; --shuffle)
                {
                    int index   = bitpos.size() - 1 - shuffle;
                    bottom = bitpos[index] = bitpos[index-1]  - 1;
                }
                break;
            }
        }
        return bottom;
    }
于 2012-03-04T07:10:58.477 回答
0

在 MATLAB 中:

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% combinations.m

function combinations(n, k, func)
assert(n >= k);
n_set = [1:n];
k_set = zeros(k, 1);
recursive_comb(k, 1, n_set, k_set, func)
return

function recursive_comb(k_set_index, n_set_index, n_set, k_set, func)
if k_set_index == 0,
  func(k_set);
  return;
end;
for i = n_set_index:length(n_set)-k_set_index+1,
  k_set(k_set_index) = n_set(i);
  recursive_comb(k_set_index - 1, i + 1, n_set, k_set, func); 
end;
return;

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

Test:
>> combinations(5, 3, @(x) printf('%s\n', sprintf('%d ', x)));
3 2 1 
4 2 1 
5 2 1 
4 3 1 
5 3 1 
5 4 1 
4 3 2 
5 3 2 
5 4 2 
5 4 3 
于 2016-02-28T22:31:44.417 回答