算法进阶
贪心算法
在对问题求解时,总是作出在当前看来最好的选择。
贪心算法并不保证会得到最优解,但是在某些问题上贪心算法的解就是最优解。
找零问题
假设商店⽼老老板需要找零n元钱,钱币的⾯面额有:100元、50元、20元、5元、1元,如何找零使得所需钱币的数量量最少?
t = [100, 50, 20, 5] # 面值,需要进行排序sort/sorted
def change(t, n):
"""
找零问题
:param t: 面值列表
:param n: 需要零钱
:return:
"""
m = [0 for _ in range(len(t))] # 生成[0,0,0,0]对应每一个面值的个数
for i, money in enumerate(t): # 循环面值
m[i] = n // money # 面值对应区域 = 从最大面值开始,需要对面值列表进行排序
n = n % money # 剩余零钱
return m, n
print(change(t, 376))
背包问题
一个小偷在某个商店发现有n个商品,第i个商品价值v i 元,重w i 千克。他希望拿⾛走的价值尽量高,但他的背包最多只能容纳W千克的东西。他应该拿走哪些商品?
0-1背包:对于一个商品,小偷要么把它完整拿走,要么留下。不能只拿走一部分,或把一个商品拿走多次。(商品为金条)
分数背包:对于一个商品,小偷可以拿走其中任意一部分。(商品为金砂)
goods = [(60, 10),(100, 20),(120, 30)] # 每个商品元组表示(价格, 重量)
goods.sort(key=lambda x: x[0]/x[1], reverse=True) # 每克商品的价格进行排序
def fractional_backpack(goods, w):
"""
分数背包
:param goods: 商品列表
:param w: 背包容量
:return:
"""
m = [0 for _ in range(len(goods))] # [0,0,0] 对应商品个数
total_v = 0 # 价值总数
for i, (prize, weight) in enumerate(goods):
print(m)
if w >= weight: # 当背包容量大于商品,继续拿
m[i] += 1 # 拿到对应商品的个数,如果拿完了
total_v += prize # 增加价值
w -= weight # 减少容量
else: # 容量不够
m[i] = w / weight # 取商品的几分之几,实现尽量多拿贪心算法
total_v += m[i] * prize # 价值
w = 0 # 拿完了,容量=0
break
return total_v, m
print(fractional_backpack(goods, 500))
拼接最大数字问题
有n个⾮负整数,将其按照字符串拼接的方式拼接为一个整数。如何拼接可以使得到的整数最大?
例:32,94,128,1286,6,71可以拼接除的最大整数为94716321286128
from functools import cmp_to_key
li = [32, 94, 128, 1286, 6, 71]
def xy_cmp(x, y):
"""
函数必须有两个参数用来进行比较
:param x:
:param y:
:return:
"""
if x + y < y + x: # x放前面
print('<', x, y)
return 1
elif x + y > y + x: # y放前面
print('>',x,y)
return -1
else: # 相同位置排序无所谓
return 0
def number_join(li):
li = list(map(str, li)) # 全部转换为str
li.sort(key=cmp_to_key(xy_cmp)) # cmp_to_key(比较函数)
return "".join(li)
print(number_join(li))
活动选择问题
假设有n个活动,这些活动要占用同一片场地,而场地在某时刻只能供一个活动使用。
每个活动都有一个开始时间s i 和结束时间f i (题目中时间以整数表示),表示活动在[s i , f i )区间占用场地。
问:安排哪些活动能够使该场地举办的活动的个数最多?
思考:
贪心结论:最先结束的活动一定是最优解的一部分。
证明:假设a是所有活动中最先结束的活动,b是最优解中最先结束的活动。
如果a=b,结论成立。
如果a≠b,则b的结束时间一定晚于a的结束时间,则此时用a替换掉最优解中的b,a一定不与最优解中的其他活动时间重叠,因此替换后的解也是最优解。
# 元组[0]=开始时间,元组[1]=结束时间
activities = [(1,4), (3,5), (0,6), (5,7), (3,9), (5,9), (6,10), (8,11), (8,12), (2,14), (12,16)]
activities.sort(key=lambda x:x[1]) # 保证活动是按照结束时间排好序的
def activity_selection(a):
res = [a[0]] # 最早的活动
for i in range(1, len(a)):
if a[i][0] >= res[-1][1]: # 当前活动的开始时间大于等于最后一个入选活动的结束时间
# 不冲突
res.append(a[i])
return res
print(activity_selection(activities))
贪心算法解决最优化问题
动态规划
斐波那契数列列:
练习:使用递归和非递归的方法来求解斐波那契数列的第n项
F n = F n−1 + F n−2
# 子问题的重复计算
def fibnacci(n):
"""
递归法
:param n:
:return:
"""
if n == 1 or n == 2:
return 1
else:
return fibnacci(n-1) + fibnacci(n-2)
# 动态规划(DP)的思想 = 递推式 + 重复子问题
def fibnacci_no_recurision(n):
"""
非递归
:param n:
:return:
"""
f = [0,1,1] # 先确定前2个数为1,1 0的作用是让f[2]=f[0]+f[1]
if n > 2:
for i in range(n-2): # 去掉前两个
num = f[-1] + f[-2]
f.append(num)
return f[n]
print(fibnacci_no_recurision(100))
欧几里得算法
约数:如果整数a能被整数b整除,那么a叫做b的倍数,b叫做a的约数。
给定两个整数a,b,两个数的所有公共约数中的最⼤大值即为最大公约数(Greatest Common Divisor, GCD)。
例:12与16的最⼤大公约数是4
欧几里得算法:gcd(a, b) = gcd(b, a mod b)
例:gcd(60, 21) = gcd(21, 18) = gcd(18, 3) = gcd(3, 0) = 3
def gcd(a, b):
if b == 0:
return a
else:
return gcd(b, a % b)
def gcd2(a, b):
while b > 0:
r = a % b
a = b
b = r
return a
print(gcd2(12,16))
RSA加密算法
传统密码:加密算法是秘密的
现代密码系统:加密算法是公开的,密钥是秘密的
对称加密
⾮非对称加密
RSA⾮非对称加密系统:
公钥:⽤用来加密,是公开的
私钥:⽤用来解密,是私有的
应用:linuxSSH、https的s
加密算法过程:
- 随机选取两个质数p和q
- 计算n=pq
- 选取一个与φ(n)互质的小奇数e,φ(n)=(p-1)(q-1)
- 对模φ(n),计算e的乘法逆元d,即满足 (e*d) mod φ(n) = 1
- 公钥(e, n) 私钥(d, n)
``` p = 53 q = 59 n = pq # 3127 fai = (p-1)(q-1) # 3016 e = 3 fai / e # 1005.3333333333334
e为与fei互质的最小奇数
d = 2011 # 满足(ed)%fei=1
(ed)%n # 2906
(e*d)%fai # 1
```
m为传入的数据明文,mod为取膜
用公钥加密过程:c = (m^e) mod n
用私钥解密过程:m = (c^d) mod n