详解贪心算法原理与使用方法

贪心算法概述

贪心算法(Greedy Algorithm)是一种常见的算法思想,也是算法设计中常用的一种方法。一般来说,贪心算法是指在每一步选择中都采取当前状态下最好或最优(即最有利)的选择,从而导致结果是全局最优或者是最优近似解的算法思想。

贪心算法在实际应用中非常广泛,例如最小生成树、最短路径、背包问题等都可以采用贪心算法进行求解。此外,贪心算法还可以用作其他算法的优化策略,例如在排列组合问题中,先使用贪心算法来过滤掉不必要的枚举情况,可以大幅度降低计算时间。

贪心算法的使用方法

贪心算法一般包含以下几个步骤:

  1. 将问题转化为适合使用贪心算法解决的子问题。
  2. 对每个子问题进行贪心选择,确定每个子问题的局部最优解。
  3. 将每个子问题的解合并,得到原问题的解。

为了完整阐述贪心算法的使用方法,下面针对两种典型的问题进行详细的说明。

1. 买卖股票的最佳时机

给定一个数组,它的第i个元素是一支给定股票第i天的价格。设计一个算法来求最大利润。注意你不能在买入股票前卖出股票。

示例1:

输入:[7,1,5,3,6,4]
输出:5
解释:在第二天股票价格为1时买入,在第五天股票价格为6时卖出。最大利润为6-1 = 5。

示例2:

输入:[7,6,4,3,1]
输出:0
解释:在这种情况下, 没有交易完成, 即最大利润为0。

思路:

股票买卖的问题是一个典型的贪心问题。我们只需要在股票价格已知的前提下,判断当天的股票价格是否比昨天的股票价格高,如果是则把当天股票卖出并在当天买入,最后累加所有交易后的利润即可。

代码实现:

def maxProfit(prices):
    profit = 0
    for i in range(1, len(prices)):
        if prices[i] > prices[i-1]:
            profit += prices[i] - prices[i-1]
    return profit

过程演示:

假设股票价格数组为:[7, 1, 5, 3, 6, 4]
第一天不买入,第二天价格为1,第二天买入。
第三天价格为5,第三天卖出。
第四天价格为3,不卖出。
第五天价格为6,第五天卖出。
第六天价格为4,不卖出。 
最终收益为 5。

2. 分发饼干

假设你是一位很棒的家长,想要给你的孩子们一些饼干。但是,每个孩子最多只能给一块饼干。对于每个孩子i,都有一个胃口值gi,这里给出一个数组代表他们的胃口度量。你有一些饼干,每块都有一种大小si,如果si>=gi,我们可以将饼干分配给孩子i,这个孩子会得到满足,并且你会得到1的满足度。你最多可以给一个孩子分配一块饼干。求解最多可以得到几个满足度?

示例1:

输入:[1,2,3], [1,1]
输出:1
解释:你有两块大小为1的饼干,如果你把它们分别分配给这两个孩子,他们都只能得到1分满足。所以你应该输出1。

示例2:

输入:[1,2], [1,2,3]
输出:2
解释:你有两个孩子和三块小饼干,首先给有更高胃口值的孩子分配饼干。对于第0个孩子,你能给他分配大小为1的饼干,对于第1个孩子,你能给他分配大小为2的饼干,这个孩子会得到满足。所以你最多可以得到2个满足度。

思路:

问题可以转化为在给定胃口和饼干大小的情况下,如何选择合适的饼干使得能够满足更多的孩子。为了达到这个目的,我们可以首先把两个数组进行排序,然后从胃口和饼干大小最小的孩子开始,依次分配饼干,如果能正好满足孩子,就累加满足度,并且继续分配后面更大的孩子和饼干,直到全部分配完毕。

代码实现:

def findContentChildren(g, s):
    g.sort()
    s.sort()
    i, j, res = 0, 0, 0
    while i < len(g) and j < len(s):
        if g[i] <= s[j]:
            res += 1
            i += 1
            j += 1
        else:
            j += 1
    return res

过程演示:

假设孩子们的胃口值为 [1, 2, 3],而你有两个饼干,大小分别为 [1, 1]。
第一步,先把孩子们的胃口值数组和饼干大小数组排序:
g = [1, 2, 3]
s = [1, 1]
第二步,从第一个孩子和第一个饼干开始,比较胃口和饼干大小,如果饼干大小>=孩子的胃口,则满足孩子的胃口,同时满足度+1,并且继续比较两个数组中更大的孩子和饼干:
g = [2, 3]
s = [1]
第三步,重复第二步,直到孩子数组或饼干数组全部分配完毕:
g = [3]
s = []
最终,我们找到了两个孩子满足了他们的胃口,因此满足度为 2。

在上述示例中,我们可以看出,贪心算法对于这种具有“最优子结构”的问题非常有效,可以快速求解最优解。但是需要注意的是,使用贪心策略并不代表一定能够求解最优解,对于一些不符合贪心策略的问题,需要使用其他算法进行求解。