Читать книгу Гуманитарные основы комбинаторных алгоритмов - - Страница 5
Игра с комбинаторными алгоритмами
Оглавление3) Путешествие из Москвы в Казань через Санкт-Петербург или процесс разработки алгоритма поиска всех путей
Данный материал публикуется с расчетом на начинающих программистов и неспециалистов…
Однажды вечером после чтения книжек о путешествиях, – кажется, это были знаменитое «Путешествие из Петербурга в Москву» Радищева и «Тарантасъ» Владимира Соллогуба – я сел смотреть лекцию об алгоритме Дейкстры. Смотрел, рисовал что-то на бумажке и нарисовал ориентированный граф. После некоторых размышлений мне стало интересно, как бы я реализовал алгоритм поиска всех путей из одной начальной точки (a) в какую-то другую единственную конечную точку (f) на ориентированном графе. Я уже было начал читать об алгоритмах поиска в глубину и ширину, но мне
подумалось, что интереснее было бы попробовать «изобрести» алгоритм заново, часто ведь при таком подходе можно получить интересную модификацию уже известного алгоритма. Заодно я поставил себе несколько условий: 1) не использовать литературу; 2) использовать нерекурсивный подход; 3) хранить ребра в отдельных массивах, без вложенности. Далее постараюсь описать процесс поиска алгоритма и его реализации, как обычно на PHP.
Сам граф получился такой:
В общем: на входе ориентированный граф с шестью вершинами, задача найти все пути из а в f без рекурсии и с минимальными затратами средств.
Ребра хранятся в нескольких массивах, имя массива – вершина:
$a=array (’b’,’c’,’d’);
$b=array (’d’,’e’,’f’);
$c=array (’d’,’e’,’f’);
$d=array (’e’,’f’);
$e=array (’f’);
Чтобы получить первый путь, я решил пройтись по нулевым индексам каждого массива и склеить их в одну строку х (в этой переменной на каждом этапе будет хранится найденный путь). Но как это сделать с минимальными затратами?! Мне показалось, что самым простым вариантом будет ввести еще один массив – инициализирующий.
В массиве int все элементы, которые есть в графе в обратном порядке.
$int=array (’f’,’e’,’d’,’c’,’b’,’a’);
Тогда получить первый путь очень просто, достаточно пройтись циклом по всем массивам, добавлять в х новое значение с помощью конкатенации, и на каждом этапе использовать элемент из предыдущего массива в качестве указателя на следующий массив.
Этот стиль немного напоминает bash, но код выглядит довольно понятным:
$x=’a’;
$z=$a [0];
while (1) {
$x.=$z;
$z=$ {$z} [0];
if ($z == ’f’) {$x.=$z; break;}
}
И так, мы получили первый путь x=abdef.
Можем вывести его на экран и заняться непосредственно самим алгоритмом, так как все, что было выше, – это только подготовительная часть. По идее от нее можно было бы избавиться, но я ее оставляю и публикую, чтобы был лучше понятен ход мысли.
Выводим на экран первый путь и запускаем первую функцию.
print $x;
print '<br>»;
search_el ($x,$a,$b,$c,$d,$e);
Сам алгоритм фактически сводится к двум циклам, которые вынесены в отдельные функции. Первая функция принимает полученный ранее первый путь x. Далее в цикле осуществляется обход x справа налево. Мы ищем два элемента, один из которых будет работать в качестве указателя на массив, другой (правый, тут только стоит помнить, что массив перевернут) в качестве указателя на элемент массива. С помощью array_search найдем ключ элемента и проверим, есть ли что-нибудь в данном массиве после него. Если есть, то заменим элемент на найденный, но перед этим отрежем хвост (для этого нужен substr). Замену можно организовать и по другому:
function search_el ($x, $a, $b, $c, $d, $e)
{
$j = strlen ($x);
while ($j!= 0)
{
$j – ;
if (isset ($ {$x [$j – 1]}))
$key = array_search ($x [$j], $ {$x [$j – 1]}); if ($ {$x [$j – 1]} [$key +1]!= «»)
{
$x = substr ($x, 0, $j);
$x.= $ {$x [$j – 1]} [$key +1];
new_way_search ($x, $a, $b, $c, $d, $e); break;
}
}
}
Условие с isset нужно, чтобы интерпретатор не выбрасывал
предупреждение. К самому алгоритму оно отношения не имеет. Если никаких элементов в массивах найдено не было, то алгоритм завершится, но если все-таки чудо свершилось, то переходим в новую функцию, суть которой крайне проста – дописать хвост к x, вывести на экран и… «дорисовать восьмерку» или петлю – вернуться в функцию, из которой мы пришли, но уже с новым значением x:
function new_way_search ($x, $a, $b, $c, $d, $e)
{
$z = $x [strlen ($x) – 1];
$z = $ {$z} [0];
while (1)
{
$x.= $z;
if ($x [strlen ($x) – 1] == ’f’) break;
if ($z == ’f’)
{
$x.= $z;
break;
}
$z = $ {$z} [0];
}
echo $x;
echo '<br />»;
search_el ($x, $a, $b, $c, $d, $e);
}
Результат работы алгоритма для графа, что на рисунке выше:
abdef
abdf
abef
abf
acdef
acdf
acef
acf
adef
adf
Дополнение
В качестве дополнения приведу описание полученного алгоритма более кратко: ребра ориентированного графа выписаны в отдельные массивы в порядке возрастания. Т.е. вершины графа и рёбра упорядочены. Это обязательное условие. До начала алгоритма находим первый путь, который с учетом первого условия будет с наименьшими именами вершин. Способ нахождения не особенно важен.
Описание для проверки на бумаге
На входе первый найденный путь x=abdef:
– Двигаемся справа налево по массиву х, выделяем два соседних элемента (кроме последнего) abd [e] f, левый (d) используем в качестве указателя на массив с вершиной, правый (e) в качестве указателя на элемент этого массива.
Ищем элемент в d после е, если он есть, убираем в x справа от e все элементы. Получаем в x=abde. Заменяем правый элемент (е) на найденный элемент.
– Дописываем (вторым циклом) правую часть от элемента (или индекса правого элемента), который был заменен и до последнего элемента (f). В этом цикле требуется брать всегда массивы с 0 индексом, так как массивы упорядочены по условию. В данном случае мы сразу получили в правой части последний элемент x=abdf, поэтому второй цикл сработает вхолостую.
– После формирования правой части возвращаемся к обходу массива справа налево.
Отсутствие элементов в первой вершине (массив а) – условие выхода из алгоритма.
Тот же код без функций и рекурсии, первый путь в x задан:
<?php
//Массивы ребер
$a=array (’b’,’c’,’d’);
$b=array (’d’,’e’,’f’);
$c=array (’d’,’e’,’f’);
$d=array (’e’);
$e=array (’f’);
//Первый путь
$x=’abdef’;
print $x;
print '<br>»;
$j=strlen ($x);
while ($j!=0) {
