1 貪心法

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2016 資訊之芽手寫作業 5 Deadline: 2016/04/09

1 貪心法

由於貪心法的證明實在太重要了，本次作業將讓大家練習許多證明。貪心法的證明 往往如以下的形式：由我們提出來的貪心演算法可以得到一組解 S ，而且這個解會滿 足一些特性 (視算法而定)。接著，對於任意一組不滿足該特性的解 S^′ ，我們都可以 構造出一組更好的解 S^′′ ，如果 S^′′ 仍然不滿足該特性，我們又可以構造出更好的解 S^′′′ · · · ，最後得到 S ，如此一來就可以證明 S 是最優的解了。

複習一下影片中提到的「誰先晚餐」問題，經簡化的題目是這樣的：

例題 1

有 n 位同學要吃晚餐，第 i 位同學想吃的食物需要 C_i 時間才能煮好，而他吃 掉食物所花的時間為 E_i ，且廚師同一時間只能煮一種食物。請證明，要讓廚師開 始煮菜到最後一位同學吃完，經過的時間最短的方法是讓吃飯時間 (E_i) 越久的越先吃。

解答

假設由演算法得到的吃飯的順序為 a₁, a₂,· · · , an ，則此序列一定滿足特性 E_a_i ≥ Eai+1 。假設有另外一組吃飯順序為 b₁, b₂,· · · , bn，且不滿足該特性，則一 定存在兩個相鄰的人 b_i, b_i+1 滿足 E_b_i < E_b_i+1 。如果將這兩個人的吃飯順序對調，

則考慮第 j 個人吃飯結束的時間 (對調前為 t1(j) ，對調後為 t2(j) ，可以以下四種人的情況：

(1) j < i：

對調前，結束的時間為 t₁(j) =

∑j k=1

C_b_k + E_b_j； 對調後，結束的時間為 t₂(j) =

∑j k=1

C_b_k + E_b_j。 (2) j = i：

對調前，結束的時間為 t₁(j) = t₁(i) =

i∑−1 k=1

C_b_k+ C_b_i + E_b_i； 對調後，結束的時間為 t₂(j) = t₂(i) =

i∑−1 k=1

C_b_k+ C_b_i+1+ C_b_i+ E_b_i。 (3) j = i + 1：

對調前，結束的時間為 t₁(j) = t₁(i + 1) =

i∑−1 k=1

C_b_k + C_b_i + C_b_i+1+ E_b_i+1； 對調後，結束的時間為 t₂(j) = t₂(i + 1) =

i∑−1 k=1

C_b_k + C_b_i+1 + E_b_i+1。 (4) j > i + 1：

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對調前，結束的時間為 t₁(j) =

∑j k=1

C_b_k + E_b_j； 對調後，結束的時間為 t2(j) =

∑j k=1

Cb_k + Ebj。

我們要比較的是 max{t1(j)} 和 max{t2(j)} (1 ≤ j ≤ n) ，可以發現會讓 t1(j) 和 t₂(j) 不同值的只有 j = i 和 j = i + 1 ，而且 t₁(i + 1) ≥ t2(i) (∵ Ebi+1 >

E_b_i), t₁(i + 1) ≥ t2(i + 1) ，所以 max{t1(j)} ≥ max{t2(j)}，也就是對調之後，最後吃完的時間一定不會比對調前差。

最後，經過不斷的兩兩對調，一定可以將序列 b 變成序列 a (如 bubble sort 的過 程)，且過程中，最後吃完的時間必為非嚴格遞減，得證序列 a 是這個問題的最優 解。

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習題

1. 在影片中提到了換零錢的題目，敘述如下：已知有 n 種貨幣面額 c₁, c₂,· · · , cn ，不 失一般性可以假設 c₁ < c₂ <· · · < cn。對於任意兩種面額 c_i, c_j (i < j)，滿足 c_j 一 定是 c_i 的倍數，也就是 c_i|cj ，而且為了確保所有整數的面額都可以湊出，c₁ = 1 (可以想成台灣零錢去掉 20 元的情況)。對於任意正整數 x ，請問如何使用盡量少 的零錢個數湊出 x 元呢？

(a) (20 pts) 請證明在題目的條件之下，盡量使用面額較高的零錢可以得到最佳解。

意即要湊出 x ，可以先使用一枚面額不大於 x 的最大面額零錢 c_i ，剩下的 x− ci 元用相同的方法湊出。

(b) (10 pts) 在不滿足 c_i|cj (∀i < j) 的情況下，第一題的貪心算法仍然可以得到最 佳解嗎？如果可以，請證明之；如果不行，請給出造成反例的面額 c1· · · cn 、 欲湊出的面額 x 、使用貪心法得到的解、以及最佳解。

(c) (20 pts) 在不滿足 c_i|cj (∀i < j) 的情況下，第一題的貪心算法一定不能得到 最佳解嗎？如果不行，請證明之；如果可以，請給出一組貪心法適用的面額 c₁· · · cn ，並證明貪心法在該組面額上的正確性。

2. (20 pts) 請參考 TOJ #70 或 UVA 10954 (Add all)：已知 n 個數字 a₁, a₂,· · · , an ， 每次操作可以將兩個數字 x, y 加起來得到 x + y ，並花費 x + y 。請證明將所有 n 個數加起來的花費最少的方法是：不斷選當前最小的兩個數字合併，直到剩下一個數字。

3. (30 pts) 已知 n 個區間 (l₁, r₁), (l₂, r₂),· · · , (ln, r_n) ，希望可以挑選出盡量多個不重 疊的區間。請證明先將區間照右界 (r_i) 由小到大排序後，依序挑選與當前挑出的區間不重疊的區間，如此可以挑選出最多的區間。

(例：有四個區間 (1, 4), (2, 5), (3, 7), (6, 8) ，則上述貪心演算法會依序挑選 (1, 4) 和 (6, 8) ，得到最多可以挑選出 2 個區間。當然最佳解不唯一，演算法也可以改成照 區間左界由大到小排序，此時挑選出的區間就是 (6, 8) 和 (2, 5) ，但區間數量仍然 是最大值。)

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