Реферат: Разработка системы задач (алгоритмы-программы) по дискретной математике
Время работы алгоритма пропорционально N2.
Алгоритм Флойда (кратчайшие пути между всеми парами вершин).
Дано. Ориентированный граф G=<V,E>, s - вершина источник; матрица смежности A (A:array[1..n,1..n] of integer); для любых u, v€V вес дуги неотрицательный (А[u,v]>=0). Результат. Матрица D кратчайших расстояний между всеми парами вершин графа и кратчайшие пути.
Идея алгоритма. Обозначим через Dm[i,j] оценку кратчайшего пути из i в j с промежуточными вершинами из множества [1..m]. Тогда имеем: D0[i,j]:=A[i,j] и D(m+1)[i,j]=min{Dm[i,j],Dm[i,m+1]+Dm[m+1,j]}. Второе равенство требует пояснения. Пусть мы находим кратчайший путь из i в j с промежуточными вершинами из множества [1..(m+1)]. Если этот путь не содержит вершину (m+1), то D(m+1)[i,j]=Dm[i,j]. Если же он содержит эту вершину, то его можно разделить на две части от i до (m+1) до j. Время работы алгоритма пропорционально N3.
Глава 2 Система задач и упражнений.
Классификация задач.
Набор задач, разработанный нами и изложенный ниже можно систематизировать по следующим критериям:
По тематике.
По уровню сложности задачи.
Задачи высокого уровня сложности: это задачи олимпиадного уровня, требующие глубокого знания предмета, а также комплексного подхода к решению задачи (Пример для нашего набора задач, задача о роботах, задача о комнатах музея).
Задачи среднего уровня сложности: это задачи, требующие хороших знаний предмета и навыков применения знаний на практике, т.е в процессе решения задач (Пример: задача о семьях, задача о футболистах, задача про милицию и диспетчера).
Задачи низкого уровня сложности: это задачи, для решения которых необходимы общие знания предмета и не требующие особых навыков применения знаний на практике, т.к. данные задачи направлены на формирование данных навыков.
Ситуативные задачи: это задачи, формулировка которых представляет собой ситуацию из жизни. Это необходимо для более наглядного представления задачи, а также для того, чтобы сделать задачу более интересной для решения.
Задачи со строгой формулировкой: это задачи, в формулировке которой строго изложена суть задачи. Данные задачи являются задачами более низкого уровня, так как в них не требуется определения тематики задачи, а следовательно, и выбора способа решения, требуется лишь реализация алгоритма на языке программирования.
Задачи с единственным способом решения: это задачи, решить которые можно лишь одним способом, т.е. задачу нельзя рассмотреть с точки зрения различных тематик, таким образом, отсутствует выбор способа решения задачи (Пример: задача о футболистах и т.д.).
Задачи с несколькими способами решения: это задачи, которые могут быть рассмотрены с точки зрения различных тематик и, таким образом, имеют более широкий спектр решений (Пример: задача о метрополитене и т.д.).
Задачи, имеющие решение применимое только к конкретным задачам: это задачи, которые в своей формулировке имеют достаточно много деталей, чтобы их решение было применимо только к конкретным задачам (Пример: задача о роботах).
Задачи, имеющие решение применимое к целому классу подобных задач: это задачи, в формулировке которых не содержится особых деталей, чтобы их решение было применимо к целому классу подобных задач (Пример: задача о метрополитене и т.д.).
Задачи.
Комнаты музея. Составьте алгоритм-программу определения числа комнат в музее и площади каждой комнаты в клетках. План музея показан ниже на рисунке.
11 6 11 6 3 10 6
7 9 6 13 5 7 5
1 10 12 7 13 13 5
13 11 10 8 10 14 13
Цифровая карта
Площадь музея состоит из клеток: m рядов и p столбцов. В каждой клетке такой матрицы (цифровая карта) проставляется число, в котором кодируется наличие стен у данной клетки. Значение числа в каждой клетке является суммой чисел: 1 (клетка имеет стену на западе), 2 (клетка имеет стену на севере), 4 (клетка имеет стену на востоке), 8 (клетка имеет стену на юге). Например, если в клетке стоит число 11 (11=8 + 2 + 1), то клетка имеет стену с южной стороны, с северной и с западной.
Исходные данные представляются в текстовом файле со следующей структурой. Первая строка: m, p – размерность сетки. Вторая строка, третья и следующие строки содержат описание матрицы цифровой карты по строкам. Расчетные данные вывести на экран в следующем порядке: первая строка – площадь каждой комнаты музея, вторая строка – количество комнат в музее.
Пример файла исходных данных:
4 7
11 6 11 6 3 10 6
7 9 6 13 5 7 5
1 10 12 7 13 13 5
13 11 10 8 10 14 13
Пример выходных данных:
9 3 8 2 6
5
Идея решения:
Данную задачу можно решить используя метод перебора с возвратом. Используя массив координат перемещения, смотрим, где отсутствуют стены, для каждой клетки, и последовательно двигаемся в ту клетку, в которую возможно, предварительно помечая клетку, в которой уже были. Если мы зашли в тупик, то возвращаемся в клетку, из которой вышли. Одновременно считаем количество клеток в каждой комнате. Когда происходит возврат в начальную точку движения, делаем всю комнату просмотренной (при помощи массива логического типа). Затем ищем клетку, в которой ещё не были и делаем её начальной точкой движения.
(Текст программы см. Приложение 1)
Пират в подземелье. В поисках драгоценных камней пират проваливается в подземелье. План подземелья – матрица N*M комнат с драгоценными камнями. Камни из одной комнаты имеют одинаковую стоимость. Пирату в каждой комнате разрешается взять всего лишь один камень с собой и следовать в любую другую соседнюю с ней комнату. Каждую из комнат пират может посещать всего лишь один раз. Требуется составить алгоритм-программу определения маршрута посещения пиратом К комнат лабиринта таким образом, чтобы он набрал камней на максимально возможную сумму. Входные и выходные данные: В первой строке входного файла содержатся числа N,M,K. В следующих N строках располагается матрица N*M лабиринта. Каждый элемент матрицы представляется стоимостью камня соответствующей комнаты. Маршрут начинается с левой верхней угловой комнаты лабиринта. Выходные данные: содержат единственное число, равное общей стоимости взятых с собой камней.
Пример файла исходных данных:
3 4 7
1 1 1 1
1 1 2 1
1 1 2 3
Выходные данные для данного примера:
12
Идея решения: Данную задачу можно решить используя метод перебора с возвратом. Двигаясь последовательно по комнатам считаем общую стоимость камней и выбирая наибольшую перебираем все возможные варианты передвижения пирата по комнатам.
(Текст программы см. Приложение 2)
Диспетчер и милиция. У диспетчера имеется схема города, на которой изображены районы и дороги, связывающие данные районы. На схеме указаны расстояния от одного пункта к другому и направление движения, которое разрешено. Схема выглядит следующим образом:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Диспетчеру поступают запросы из патрульных машин милиции, патрульные сообщают район, где они находятся и район, в который им необходимо попасть на вызов. Требуется составить алгоритм – программу, которая бы помогла диспетчеру найти минимальное расстояние, которое предстоит покрыть патрульной машине. Необходимо учесть направление движения, которое разрешено на данном участке пути.
Решение. Входные и выходные данные:
Первая строка входного файла содержит количество районов города. Затем идет матрица смежности, где занесены все пути из одной вершины в другую с расстоянием:
6
0 3 7 0 0 0
1 0 2 0 0 1
0 1 0 4 4 0
0 0 0 0 1 5
0 0 1 0 0 3
0 0 0 2 0 0
Номер района, из которого выехала милицейская машина и в который ей необходимо попасть вводятся с клавиатуры.
Выходные данные:
Единственное число, которое представляет собой минимальный путь, который предстоит покрыть милицейской машине.
Идея решения: данную задачу можно решить с помощью алгоритма поиска кратчайших путей в графе (алгоритм Дейкстры).
(Текст программы см. Приложение 3)
Задача о футболистах. Футбольная команда поехала на выездную игру, так как команда большая, то все игроки залезли в два автобуса, в произвольном порядке и в разных количествах. В автобусах игроки по привычке построились по возрастанию номеров и сели. Необходимо составить алгоритм – программу, помогающую игрокам, на выходе из двух автобусов, сразу же вставать по возрастанию номеров.
Исходные и выходные данные:
Входной файл содержит три строки. В первой строке находятся два числа – количество игроков в первом и втором автобусах. Вторая строка содержит номера игроков, находящихся в первом автобусе. Третья строка содержит номера игроков, находящихся во втором автобусе:
5 8
4 7 9 15 23
1 2 3 5 6 8 10 17
Выходные данные: номера футболистов, вышедших из автобусов в порядке возрастания. Выходные данные для данного примера:
1 2 3 5 6 7 8 9 10 15 17 23
Идея решения:
Оптимального решения данной задачи можно добиться, используя метод сортировки слияниями.
(Текст программы см. Приложение 4)
Задача о семьях. На сельской улице живут Ивановы и Петровы. Необходимо, используя минимальное число обменов, расселить их так, чтобы Ивановы жили с одного конца улицы, а Петровы – с другого.
Исходные и выходные данные. С клавиатуры вводится n - количество человек, проживающих на данной улице. Затем вводится массив А[1..n], состоящий из 0 и 1, где 0 – Петров, 1 – Иванов. Выходными данными является число обменов.
Идея решения:
Задача по методам сортировки. Один из способов её решения заключается в следующем. Пусть Ивановы должны жить в начале улицы, а Петровы – в конце. По индексу i (i<j) ищем первого Петрова, i увеличивается с шагом 1. Если нашли, то ищем Иванова с конца улицы – индекс j, он уменьшается. Если пара составлена, то совершаем обмен, и так до тех пор, пока i будет меньше j.
