任意2n个整数,从其中选出n个整数,使得选出的n个整数和同剩下的n个整数之和的差最小

解题参考原文如下(请带着批判的眼光去看,有些细节我认为是不对的,但是我没有改动)

<编程之美>数组分割问题

题目概述:有一个没有排序,元素个数为2N的正整数数组。要求把它分割为元素个数为N的两个数组,并使两个子数组的和最接近。
假设数组A[1..2N]所有元素的和是SUM。模仿动态规划解0-1背包问题的策略,令S(k, i)表示前k个元素中任意i个元素的和的集合。显然:

S(k, 1) = {A[i] | 1<= i <= k}
S(k, k) = {A[1]+A[2]+…+A[k]}
S(k, i) = S(k-1, i) U {A[k] + x | x属于S(k-1, i-1) }

按照这个递推公式来计算,最后找出集合S(2N, N)中与SUM最接近的那个和,这便是答案。这个算法的时间复杂度是O(22N).
因为这个过程中只关注和不大于SUM/2的那个子数组的和。所以集合中重复的和以及大于SUM/2的和都是没有意义的。把这些没有意义的和剔除掉,剩下的有意义的和的个数最多就是SUM/2个。所以,我们不需要记录S(2N,N)中都有哪些和,只需要从SUM/2到1遍历一次,逐个询问这个值是不是在S(2N,N)中出现,第一个出现的值就是答案。我们的程序不需要按照上述递推公式计算每个集合,只需要为每个集合设一个标志数组,标记SUM/2到1这个区间中的哪些值可以被计算出来。关键代码如下:

for(i = 0; i < N+1; i++)  
    for(j = 0; j < sum/2+1; j++)  
        flag[i][j] = false;  
flag[0][0] = true;  
for(int k = 1; k <= 2*N; k++) {  
    for(i = k > N ? N : k; i >= 1; i--) {  
        //两层外循环是遍历集合S(k,i)  
        for(j = 0; j <= sum/2; j++) {  
            if(j >= A[k] && flag[i-1][j-A[k]])  
                flag[i][j] = true;  
        }  
    }  
}  
for(i = sum/2; i >= 0; i--) {  
    if(flag[N][i]) {  
        cout << "minimum delta is " << abs(2*i - sum) << endl;  
        break;  
    }  
} 

正文

如果上面的内容你看懂了,那么万事大吉。你可以关闭网页了。
像我一样不够聪明的人,跟着我的思路往下看吧。

解题思路:

2N个整数,分成2组,使和之差最小。设2N个整数的和是NUM。
关键点:让N个整数的和最接近NUM/2,那么显然另外N个整数的和也是最接近NUM/2,显然这种情况和之差是最小的。

公式

依然是上面的公式。
令S(k, i)表示前k个元素中任意i个元素的和的集合。显然:
注意公式中的数组序号是按照常规思路,从1开始的。

S(k, 1) = {A[i] | 1<= i <= k}
S(k, k) = {A[1]+A[2]+…+A[k]}
S(k, i) = S(k-1, i) U {A[k] + x | x属于S(k-1, i-1) }

看不懂?举个例子就好懂了。
A[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8};

S(3, 1) = {123};
// S(3, 3):在前三个数中任意选择三个数
S(3, 3) = {1+2+3} = {6};
// S(4, 3):在前四个数中任意选择三个数
// 相比S(3, 3)多了哪几种情况呢
/* 首先S(4, 3)集合肯定是包含S(3, 3)的,另外还多出来A[4]分别替换掉A[1]、A[2]、A[3]的情况,即{4+2+3,1+4+3,1+2+4} = {7, 8, 9}*/
// 观察规律,{2+3,1+3,1+2}=S(3, 2)集合,于是得到上面的公式
S(4, 3) = S(3, 3) U {4 + x | x属于S(3, 2) = {6, 7, 8, 9};
算法设计

源码来源
针对源代码,继续解释。

public class Main {
    // 题目:任意2n个整数,从其中选出n个整数,使得选出的n个整数和同剩下的n个整数之和的差最小。
    public static void main(String[] args) {
        int A[] = { 1, 2, 3, 5, 7, 8, 9 };
        // int A[] = { 1, 5, 7, 8, 9, 6, 3, 11, 20, 17 };
        func(A);
    }

    static void func(int A[]) {
        int i;
        int j;
        // 下面的变量声明地很直白,不解释
        int n2 = A.length;
        int n = n2 / 2;
        int sum = 0;
        // 计算数组总和
        for (i = 0; i < A.length; i++) {
            sum += A[i];
        }

        /*还记得编程之美中的话吗?
        我们的程序不需要按照上述递推公式计算每个集合,只需要为每个集合设一个标志数组,标记SUM/2到1这个区间中的哪些值可以被计算出来。
        flag[i][j]:任意i个整数之和是j,则flag[i][j]为true。换言之,flag[i][j]为true,那么一定能找到一组整数,使它们的和是j。
        下面的代码将对flag数组进行初始化*/
        boolean flag[][] = new boolean[A.length + 1][sum / 2 + 1];
        for (i = 0; i < A.length; i++)
            for (j = 0; j < sum / 2 + 1; j++)
                flag[i][j] = false;

        flag[0][0] = true;
        // 重点来了
        for (int k = 0; k < n2; k++) {
            //i取k和n中的较小值,我们的目的是找出集合S(2N, N)中与SUM最接近的那个和,所以k>n时,取到n就足够了。k<n时,我们显然无法从3个数中任意选择4个数,所以取k值
            for (i = k > n ? n : k; i >= 1; i--) {
                // 两层外循环是遍历集合S(k,i),遍历顺序S[1][1],S[2][2],S[2][1],S[3][3]……特殊的依赖关系导致必须这样设计算法
                // 内层循环计算将A[k]加入到集合中能取到的可能的j值
                for (j = 0; j <= sum / 2; j++) {//j是i个任意整数可能的和,从0遍历到sum / 2,判断能否得到
                    // 得到j值的条件,j是和,A[k]只是其中一个,肯定需要j >= A[k],否则,取flag[i - 1][j - A[k]]的值的时候会发生越界情况。flag[i - 1][j - A[k]] = true代表可以找到i - 1个数,使它们的和为j - A[k],所以此条件满足时意味着flag[i][j] = true
                    if (j >= A[k] && flag[i - 1][j - A[k]])
                        flag[i][j] = true;
                }
            }
        }
        // 终于计算完了,现在找到最合适的结果就好了,要找到最接近SUM / 2的和,倒着找最好了
        for (j = sum / 2; j >= 0; j--) {
            if (flag[n][j]) {
                System.out.println("sum is " + sum);
                System.out.println("sum/2 is " + sum / 2);
                System.out.println("j is " + j);
                System.out.println("minimum delta is " + Math.abs(2 * j - sum));
                break;
            }
        }
    }
}

运行结果:

sum is 35
sum/2 is 17
j is 17
minimum delta is 1
<think>好的,我现在需要解决一个关于如何将2n个物品分配给两个人,使得他们的总收入最大的问题。用户提到了可以使用动态规划或贪心算法来实现。首先,我得理解这个问题的具体要求。 问题描述是,有2n个物品,每个物品有一定的价值,需要分配给两个人,每个人最终得到n个物品。目标是让两个人的总收入之和最大化。或者,是否可能是指两个人的收入距最大化?这里可能需要进一步明确,但根据常见的分配问题,通常是总最大化,或者公平分配,但用户提到的是“最大收益”,所以可能是指总的最大化。不过,如果两个人各拿n个物品,总其实是固定的,等于所有物品价值之和。所以这里可能我的理解有误,或者问题可能有不的目标。比如,可能是在某些约束下,比如每件物品分配给某个人后会产生不的收益,需要选择如何分配使得总收益最大?或者可能物品本身的价值是固定的,但两个人各自拿到的物品需要满足某种条件,比如每个人的总价值尽可能高,但总其实是固定的。因此,可能问题需要更明确的定义。 假设问题实际上是:每个物品被分配给A或B后,分别产生a_ib_i的收益,但每个人必须恰好得到n个物品,求如何分配使得总收益(A的总收益加上B的总收益)最大。这种情况下,总的最大化可能可以通过动态规划来解决。或者,如果每个物品的价值固定,分配给A或B,但两人各拿n个,总收益就是所有物品的总,所以此时总收益是固定的,问题可能不存在最大化。这显然不合理,所以可能我理解错了问题。 或者,另一种可能的情况是,每个物品在两个不市场上的售价不,比如A市场B市场,每个物品只能在一个市场卖出,两个人分别负责两个市场,各自必须卖出n个物品,求总收益的最大化。这时候,问题转化为选择n个物品给A,剩下的n个给B,使得总收益最大。这种情况下,总收益是sum_{A选的}a_i + sum_{B选的}b_i。这个问题可能更适合用贪心或动态规划来解决。 例如,对于每个物品i,选择给A的话获得a_i,给B的话获得b_i。但必须恰好选n个给A,剩下的n个给B。目标是总收益最大。 现在,我需要思考如何用动态规划或贪心来解决这个问题。首先,考虑贪心是否适用。贪心算法需要每一步做出局部最优的选择。比如,对于每个物品,比较a_ib_i,如果a_i更大,就优先给A,否则给B。但这样可能导致选A的数量超过n或者不足n。因此,单纯的贪心可能无法满足数量限制。 例如,假设所有物品的a_i都比b_i大,那么按贪心策略,所有物品都给A,但这超过了n的限制。所以这时候贪心策略不适用。因此,可能需要调整贪心策略,考虑在满足数量限制的情况下进行选择。比如,可以先将物品按a_i - b_i的值排序,选出值最大的n个给A,剩下的给B。这样总收益可能最大化。因为这样,给A的物品是那些在A处收益比B处高的最多的,而剩下的给B,这样总收益可能最大。这种情况下,贪心算法可能有效。 例如,假设每个物品的a_ib_i已知,计每个物品的a_i - b_i,然后按从高到低排序,前n个给A,后n个给B。这样总收益为前n个的a_i之和加上后n个的b_i之和。这可能是一个可行的贪心策略。这种情况下,贪心是否正确?需要证明其正确性。 假设有两个物品,n=1。物品1:a=3,b=1;物品2:a=2,b=5。按值排序,物品1的2,物品2值-3。所以排序后物品1在前,物品2在后。给A物品1(a=3),给B物品2(b=5),总8。另一种分配方式是给A物品2(a=2),给B物品1(b=1),总3。显然前者更好。所以这个策略正确。再举一个例子,三个物品,但n=1?抱歉,原问题中的2n个物品,所以n必须整数,比如n=2,四个物品。例如: 物品1:a=5,b=1 →值4 物品2:a=4,b=22 物品3:a=3,b=5 →值-2 物品4:a=2,b=6 →值-4 按值排序,物品1、物品2、物品3、物品4。选前两个给A,后两个给B。总收益是5+4 +5+6 =20。而另一种分配,比如选物品13给A,物品24给B:总收益5+3 +2+6=16,比前者小。所以贪心策略有效。这种情况下,贪心是正确的。 因此,在这种情况下,贪心算法可能可以得到正确的结果。但需要证明这个策略的正确性。 另一种情况,如果某个物品的a_ib_i的较大,但总收益可能不如另一种分配方式。例如,是否有这样的情况?比如,当某个物品的a_i比b_i大很多,但其他物品的b_i总可能更高。比如: n=1,两个物品: 物品1:a=100,b=0 →值100 物品2:a=1,b=50 →值-49 按贪心策略,物品1给A,物品2给B。总收益100+50=150。如果反过来,物品2给A,物品1给B:总收益1+0=1。所以显然贪心正确。 再考虑另一个例子,可能有三个物品,但n=1的情况?原问题中的2n个物品,所以n必须是整数,比如n=2,四个物品。比如: 物品1:a=10,b=5 →值5 物品2:a=9,b=6 →值3 物品3:a=8,b=7 →值1 物品4:a=1,b=20 →值-19 按贪心策略,选前两个给A(物品12),后两个给B。总收益10+9 +7+20=46。另一种可能,如果选物品1、3给A,那么A的总收益10+8=18,B得到物品24,总收益6+20=26,总44,比贪心策略少。所以贪心正确。或者如果选物品14给A,那A的收益是10+1=11,B得到物品23的收益6+7=13,总24,更。所以贪心策略有效。 看起来在这种情况下,贪心策略是正确的。那么如何证明这个策略的正确性呢? 假设我们将物品按a_i - b_i从大到小排序。选择前n个给A,剩下的n个给B。这样总收益是最大的。这是因为对于每个物品i来说,当a_i - b_i较大时,分配给A可以获得更多的收益;当a_i - b_i较小(可能为负)时,分配给B更有利。因此,通过排序并选择前n个值最大的给A,可以使得总收益最大化。 因此,贪心算法在这种情况下是可行的,并且时间复杂度为O(2n log 2n),即排序的时间复杂度。 另一种方法是动态规划动态规划需要考虑状态转移。例如,状态可能定义为dp[i][j],表示处理前i个物品,其中j个分配给A的情况下,所能获得的最大总收益。状态转移方程需要考虑是否将第i个物品分配给A或B。例如: dp[i][j] = max( 如果分配给A:dp[i-1][j-1] + a_i, 如果分配给B:dp[i-1][j] + b_i ) 最终需要求的是dp[2n][n],即处理完所有2n个物品,且恰好分配了n个给A时的最大总收益。 初始条件:dp[0][0] = 0,其余可能初始化为负无穷,表示不可能的状态。 这样,动态规划的时间复杂度是O(2n * n),即O(n&sup2;)。对于较大的n来说,这可能不如贪心算法高效。但动态规划可以处理更复杂的情况,例如每个物品的a_ib_i可能不,或者有其他约束。 比较两种方法,贪心算法的时间复杂度较低,但需要满足特定条件(即按值排序后的最优子结构),而动态规划则更通用,但时间复杂度较高。 回到原问题,如果问题允许使用贪心算法,并且满足上述条件,那么贪心是更优的选择。否则,动态规划可能更合适。 现在,我需要总结这两种方法的实现步骤。 对于贪心算法: 步骤1:计每个物品的值d_i = a_i - b_i。 步骤2:将所有物品按d_i从大到小排序。 步骤3:将前n个物品分配给A,剩下的n个分配给B。 步骤4:计总收益为前n个物品的a_i之和加上后n个物品的b_i之和。 对于动态规划: 步骤1:初始化一个二维数组dp,大小为(2n+1) x (n+1),其中dp[i][j]表示处理前i个物品,分配j个给A的最大总收益。 步骤2:初始化dp[0][0] = 0,其他dp[0][j](j≠0)为负无穷或不可达。 步骤3:遍历每个物品i从1到2n: 对于每个可能的j(0到n): 如果j > i,跳过(因为前i个物品最多分配i个给A,而i可能超过n) dp[i][j] = max( 如果j>0:dp[i-1][j-1] + a_i(将当前物品分配给A), dp[i-1][j] + b_i(将当前物品分配给B) ) 步骤4:最终结果为dp[2n][n] 需要注意的是,当i超过2n或j超过n时,需要处理边界条件。 例如,当i=1时,j可以是0或1。如果j=1,则只能选择分配给A,此时dp[1][1] = a_1。如果j=0,则只能选择分配给B,此时dp[1][0] = b_1. 然后,对于每个后续的i,状态转移需要确保不超过n个分配给A。 这样,动态规划可以正确处理所有可能的分配情况,但需要较高的空间时间复杂度。 现在,我需要比较这两种方法的适用条件。如果问题中的每个物品的a_ib_i满足可以通过排序值来获得最优解,那么贪心算法是有效的。否则,如果存在某些情况,比如某些物品的值较小,但组合后的总收益更高,则贪心可能不适用。例如,假设两个物品: 物品1:a=3,b=1 →2 物品2:a=2,b=5 →值-3 n=1。贪心选择物品1给A,物品2给B,总收益3+5=8。另一种分配方式是将物品2给A,物品1给B,总收益2+1=3。显然贪心正确。但如果存在多个物品,值可能产生不的情况? 例如,n=2,四个物品: 物品1:a=5,b=0 →值5 物品2:a=5,b=0 →值5 物品3:a=0,b=5 →值-5 物品4:a=0,b=5 →值-5 贪心策略选前两个给A,总收益5+5+5+5=20,这显然是最大的。 另一个例子,如果有四个物品: 物品1:a=4,b=1 →3 物品2:a=3,b=2 →1 物品3:a=2,b=3 →-1 物品4:a=1,b=4 →-3 按值排序,顺序是物品1、物品2、物品3、物品4。分配前两个给A,总收益4+3 +3+4=14。如果另一个分配方式,比如物品13给A:4+2 +2+4=12。更小。所以贪心正确。 因此,在这些情况下,贪心策略是正确的。因此,可以推断当问题的最优解可以通过局部最优选择(即选择值最大的前n个给A)时,贪心算法有效。否则,可能需要动态规划。 那么,如何判断这个问题是否适合贪心算法?根据引用[1]中的内容,贪心算法适用的问题需要具有贪心选择性质最优子结构。贪心选择性质指的是通过局部最优选择可以达到全局最优解。最优子结构指的是问题的最优解包含子问题的最优解。在这个问题中,如果我们能证明选择值最大的前n个给A可以得到全局最优解,那么贪心算法适用。 证明贪心策略的正确性: 假设总共有2n个物品,我们需要选择n个给A,n个给B。总收益为sum_{A选}a_i + sum_{B选}b_i = sum_{所有物品} (a_i或b_i)。但可以将总收益表示为sum (a_i * x_i + b_i * (1 - x_i)),其中x_i为1表示选给A,0给B。约束是sum x_i =n。 总收益等于sum (x_i (a_i - b_i) + b_i) = sum b_i + sum x_i (a_i - b_i). 因为sum b_i是常数,所以最大化总收益等价于最大化sum x_i (a_i - b_i). 因此,问题转化为选择n个物品,使得他们的(a_i - b_i)之和最大。这显然可以通过选择(a_i - b_i)最大的n个物品,然后将它们分配给A,剩下的给B。这样,总的增量最大。因此,贪心策略是正确的。 所以,在这种情况下,贪心算法是正确的,因为总的最大化等价于选择最大的n个(a_i - b_i)值的物品给A。 因此,对于这个问题,贪心算法的时间复杂度为O(n log n)(排序的时间),而动态规划的时间复杂度为O(n&sup2;)。因此,贪心算法更优。 接下来,我需要总结这两种方法的实现方式,并给出代码示例。 贪心算法的实现步骤: 1. 计每个物品的a_i - b_i,并记录索引。 2. 按值从大到小排序。 3. 选择前n个物品分配给A,剩下的n个分配给B。 4. 计总收益。 动态规划的实现步骤: 1. 初始化一个二维数组dp,其中dp[i][j]表示前i个物品中选j个给A的最大收益。 2. 状态转移方程:dp[i][j] = max(dp[i-1][j-1] + a_i, dp[i-1][j] + b_i)。 3. 最终结果为dp[2n][n]。 现在,我需要考虑代码实现。例如,贪心算法的Python代码可能如下: 假设输入为一个列表,每个元素是一个元组(a, b)。 def max_income_greedy(items, n): # 计值并排序 sorted_items = sorted(items, key=lambda x: (x[0] - x[1]), reverse=True) # 前n个给A,剩下的给B total = 0 for i in range(2*n): if i < n: total += sorted_items[i][0] else: total += sorted_items[i][1] return total 动态规划的实现可能更复杂,尤其是在处理大n时的空间优化。例如,可以使用滚动数组来减少空间复杂度: def max_income_dp(items, n): m = 2 * n dp = [[-float('inf')] * (n+1) for _ in range(m+1)] dp[0][0] = 0 for i in range(1, m+1): a, b = items[i-1] for j in range(0, min(i, n)+1): # 不选给A的情况 if j <= i-1: dp[i][j] = max(dp[i][j], dp[i-1][j] + b) # 选给A的情况,要求j>=1 if j >= 1 and j-1 <= i-1: dp[i][j] = max(dp[i][j], dp[i-1][j-1] + a) return dp[m][n] 需要注意的是,动态规划的实现需要考虑边界条件,例如当i=0或j=0时的情况。此外,如果n较大,二维数组可能会占用较多内存,可以考虑使用一维数组进行优化,例如只保存上一行的状态。 总结来说,贪心算法在这种情况下是正确的,且更高效,而动态规划则是更通用的解法,适用于更复杂的情况,但时间复杂度更高。因此,针对用户的问题,如果物品的分配满足贪心策略的条件,推荐使用贪心算法;否则,动态规划是可行的替代方案。</think>### 动态规划与贪心算法实现物品分配最大收益问题 要将$2n$个物品分配给两个人,每人恰好得到$n$个,且总收益最大化,可通过以下两种方法实现: --- #### **方法一:贪心算法** **适用条件**:每个物品分配给A或B的收益($a_i - b_i$)能通过排序确定全局最优解[^1]。 **步骤**: 1. **计值**:对每个物品计$d_i = a_i - b_i$。 2. **排序**:将物品按$d_i$从大到小排序。 3. **分配**:前$n$个物品分配给A,剩余$n$个分配给B。 4. **计总收益**:总为前$n$个物品的$a_i$之和加上后$n$个的$b_i$之和。 **代码示例**: ```python def max_income_greedy(items, n): sorted_items = sorted(items, key=lambda x: (x[0] - x[1]), reverse=True) total = sum(item[0] for item in sorted_items[:n]) + sum(item[1] for item in sorted_items[n:]) return total ``` **时间复杂度**:$O(2n \log 2n)$,主要来自排序操作。 --- #### **方法二:动态规划** **适用条件**:通用场景,尤其是贪心策略不满足时[^3]。 **状态定义**: - $dp[i][j]$表示前$i$个物品中选$j$个给A的最大收益。 **状态转移**: $$ dp[i][j] = \max\left(dp[i-1][j-1] + a_i,\ dp[i-1][j] + b_i\right) $$ **初始化**: - $dp[0][0] = 0$,其余初始化为负无穷。 **最终结果**:$dp[2n][n]$。 **代码示例**: ```python def max_income_dp(items, n): m = 2 * n dp = [[-float('inf')] * (n+1) for _ in range(m+1)] dp[0][0] = 0 for i in range(1, m+1): a, b = items[i-1] for j in range(0, min(i, n)+1): if j <= i-1: dp[i][j] = max(dp[i][j], dp[i-1][j] + b) if j >= 1: dp[i][j] = max(dp[i][j], dp[i-1][j-1] + a) return dp[m][n] ``` **时间复杂度**:$O(n^2)$,空间复杂度:$O(n^2)$。 --- #### **两种方法的对比** | 方法 | 时间复杂度 | 适用场景 | |------------|-------------|--------------------------------| | 贪心算法 | $O(n \log n)$ | 满足值排序性质的问题 | | 动态规划 | $O(n^2)$ | 通用,但需处理复杂约束或特殊条件 | ---
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