算法講稿5分枝定界法課件

第六章分支限界法1學(xué)習(xí)要點(diǎn)理解分支限界法的剪枝搜索策略。掌握分支限界法的算法框架隊(duì)列式(FIFO)分支限界法優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法通過應(yīng)用范例學(xué)習(xí)分支限界法的設(shè)計(jì)策略。單源最短路徑問題裝載問題；布線問題0-1背包問題；最大團(tuán)問題；旅行售貨員問題電路板排列問題批處理作業(yè)調(diào)度問題第六章分支限界法1學(xué)習(xí)要點(diǎn)引言2分支限界法類似于回溯法，也是一種在問題的解空間樹T中搜索問題解的算法。分支限界法與回溯法的求解目標(biāo)不同：回溯法是找出滿足約束條件的所有解分支限界法是找出滿足條件的一個(gè)解，或某種意義下的最優(yōu)解搜索方式不同回溯法：深度優(yōu)先分支限界法：廣度優(yōu)先或最小耗費(fèi)優(yōu)先引言2分支限界法類似于回溯法，也是一種在問題的解空間樹T中搜6.1分支限界法的基本思想3一、基本思想二、常見的兩種分支限界法三、0-1背包問題四、旅行售貨員問題6.1分支限界法的基本思想3一、基本思想一、基本思想4分支限界法常以廣度優(yōu)先或以最小耗費(fèi)（最大效益）優(yōu)先的方式搜索問題的解空間樹。在分支限界法中，每一個(gè)活結(jié)點(diǎn)只有一次機(jī)會(huì)成為擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)?；罱Y(jié)點(diǎn)一旦成為擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)，就一次性產(chǎn)生其所有兒子結(jié)點(diǎn)。在這些兒子結(jié)點(diǎn)中，導(dǎo)致不可行解或?qū)е路亲顑?yōu)解的兒子結(jié)點(diǎn)被舍棄，其余兒子結(jié)點(diǎn)被加入活結(jié)點(diǎn)表中。此后，從活結(jié)點(diǎn)表中取下一結(jié)點(diǎn)成為當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)，并重復(fù)上述結(jié)點(diǎn)擴(kuò)展過程。這個(gè)過程一直持續(xù)到找到所需的解或活結(jié)點(diǎn)表為空時(shí)為止。一、基本思想4分支限界法常以廣度優(yōu)先或以最小耗費(fèi)（最大效益）二、常見的兩種分支限界法5從活結(jié)點(diǎn)表中選擇下一擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的不同方式導(dǎo)致不同的分支限界法：隊(duì)列式(FIFO)分支限界法：按照隊(duì)列先進(jìn)先出（FIFO）原則選取下一個(gè)節(jié)點(diǎn)為擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)。優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法：按照優(yōu)先隊(duì)列中規(guī)定的優(yōu)先級(jí)選取優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)成為當(dāng)前擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)。最大優(yōu)先隊(duì)列：使用最大堆，體現(xiàn)最大效益優(yōu)先最小優(yōu)先隊(duì)列：使用最小堆，體現(xiàn)最小費(fèi)用優(yōu)先二、常見的兩種分支限界法5從活結(jié)點(diǎn)表中選擇下一擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的不同三、0-1背包問題6考慮如下0-1背包問題的實(shí)例：n=3,c=30,w=[16,15,15],p=[45,25,25]隊(duì)列式分支限界法：[A]B,C=>B,C[B,C]D,E=>E[C,E]F,G=>F,G[E,F,G]J,K=>K(45)[1,0,0][F,G]L,M=>L(50)[0,1,1]M(25)[G]N,0=>N(25),O(0)不搜索一不可行結(jié)點(diǎn)為根的子樹優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法：[A]B,C=>B(45),C(0)[B,C]D,E=>E(45)[E,C]J,K=>K(45)[1,0,0][C]F,G=>F(25),G(0)[F,G]L,M=>L(50),[0,1,1]M(25)[G]N,O=>N(25),O(0)可用剪枝函數(shù)加速搜索ABCDEFGHIJKLMNO10三、0-1背包問題6考慮如下0-1背包問題的實(shí)例：ABCDE四、旅行售貨員問題7隊(duì)列式分支限界法：[A]B,C,D[B,C,D]E,F[C,D,E,F]G,H[D,E,F,G,H]I,J[E,F,G,H,I,J]K(59)[1,2,3,4][F,G,H,I,J]L(66)[G,H,I,J]M(25)[1,3,2,4][H,I,J]1-3-4(26)[I,J]O(25)[J]P(59)優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法：[A]B,C,D=>B(30),C(6),D(4)[D,C,B]I,J=>I(14),J(24)[C,I,J,B]G,H=>G(11),H(26)[G,I,J,B,H]M=>M(25)[1,3,2,4][I,J,B,H]O=>O(25)[J,B,H]P=>P(59)[B,H]B,H限界掉1234643020510ABCDEFGHIJKLMNOP1234342423434232四、旅行售貨員問題7隊(duì)列式分支限界法：123464302056.2單源最短路徑問題8一、問題描述二、算法思想三、剪枝策略四、算法描述6.2單源最短路徑問題8一、問題描述一、問題描述9下面以一個(gè)例子來說明單源最短路徑問題：在右上圖所給的有向圖G中，每一邊都有一個(gè)非負(fù)邊權(quán)。要求圖G的從源頂點(diǎn)s到目標(biāo)頂點(diǎn)t之間的最短路徑。右下圖是用優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法解有向圖G的單源最短路徑問題產(chǎn)生的解空間樹。其中，每一個(gè)結(jié)點(diǎn)旁邊的數(shù)字表示該結(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的當(dāng)前路長。一、問題描述9下面以一個(gè)例子來說明單源最短路徑問題：在右上圖二、算法思想10解單源最短路徑問題的優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法用一極小堆來存儲(chǔ)活結(jié)點(diǎn)表。其優(yōu)先級(jí)是結(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的當(dāng)前路長。算法從圖G的源頂點(diǎn)s和空優(yōu)先隊(duì)列開始。結(jié)點(diǎn)s被擴(kuò)展后，它的兒子結(jié)點(diǎn)被依次插入堆中。此后，算法從堆中取出具有最小當(dāng)前路長的結(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)，并依次檢查與當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)相鄰的所有頂點(diǎn)。如果從當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)i到頂點(diǎn)j有邊可達(dá)，且從源出發(fā)，途經(jīng)頂點(diǎn)i再到頂點(diǎn)j的所相應(yīng)的路徑的長度小于當(dāng)前最優(yōu)路徑長度，則將該頂點(diǎn)作為活結(jié)點(diǎn)插入到活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列中。這個(gè)結(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展過程一直繼續(xù)到活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列為空時(shí)為止。二、算法思想10解單源最短路徑問題的優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法用一三、剪枝策略11在算法擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的過程中，一旦發(fā)現(xiàn)一個(gè)結(jié)點(diǎn)的下界不小于當(dāng)前找到的最短路長，則算法剪去以該結(jié)點(diǎn)為根的子樹。在算法中，利用結(jié)點(diǎn)間的控制關(guān)系進(jìn)行剪枝。從源頂點(diǎn)s出發(fā)，2條不同路徑到達(dá)圖G的同一頂點(diǎn)。由于兩條路徑的路長不同，因此可以將路長長的路徑所對(duì)應(yīng)的樹中的結(jié)點(diǎn)為根的子樹剪去。三、剪枝策略11在算法擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的過程中，一旦發(fā)現(xiàn)一個(gè)結(jié)點(diǎn)的下四、算法描述12while(true){for(intj=1;j<=n;j++)if((c[E.i][j]<inf)&&(E.length+c[E.i][j]<dist[j])){//頂點(diǎn)i到頂點(diǎn)j可達(dá)，且滿足控制約束

dist[j]=E.length+c[E.i][j];prev[j]=E.i;//加入活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列

MinHeapNode<Type>N;N.i=j;N.length=dist[j];H.Insert(N);}try{H.DeleteMin(E);}//取下一擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)

catch(OutOfBounds){break;}//優(yōu)先隊(duì)列空

}}頂點(diǎn)I和j間有邊，且此路徑長小于原先從原點(diǎn)到j(luò)的路徑長四、算法描述12while(true){頂點(diǎn)I和j間有6.3裝載問題13一、問題描述二、隊(duì)列式分支限界法三、算法的改進(jìn)四、構(gòu)造最優(yōu)解五、優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法6.3裝載問題13一、問題描述一、問題描述14有一批共個(gè)集裝箱要裝上2艘載重量分別為C1和C2的輪船，其中集裝箱i的重量為wi，且∑wi≤C1+C2裝載問題要求確定是否有一個(gè)合理的裝載方案可將這個(gè)集裝箱裝上這2艘輪船。如果有，找出一種裝載方案。容易證明：如果一個(gè)給定裝載問題有解，則采用下面的策略可得到最優(yōu)裝載方案。(1)首先將第一艘輪船盡可能裝滿；(2)將剩余的集裝箱裝上第二艘輪船。一、問題描述14有一批共個(gè)集裝箱要裝上2艘載重量分別為C1和二、隊(duì)列式分支限界法15在算法的while循環(huán)中，首先檢測當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的左兒子結(jié)點(diǎn)是否為可行結(jié)點(diǎn)。如果是則將其加入到活結(jié)點(diǎn)隊(duì)列中。然后將其右兒子結(jié)點(diǎn)加入到活結(jié)點(diǎn)隊(duì)列中(右兒子結(jié)點(diǎn)一定是可行結(jié)點(diǎn))。2個(gè)兒子結(jié)點(diǎn)都產(chǎn)生后，當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)被舍棄?；罱Y(jié)點(diǎn)隊(duì)列中的隊(duì)首元素被取出作為當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)，由于隊(duì)列中每一層結(jié)點(diǎn)之后都有一個(gè)尾部標(biāo)記-1，故在取隊(duì)首元素時(shí)，活結(jié)點(diǎn)隊(duì)列一定不空。當(dāng)取出的元素是-1時(shí)，再判斷當(dāng)前隊(duì)列是否為空。如果隊(duì)列非空，則將尾部標(biāo)記-1加入活結(jié)點(diǎn)隊(duì)列，算法開始處理下一層的活結(jié)點(diǎn)。while(true){//檢查左兒子結(jié)點(diǎn)

if(Ew+w[i]<=c)//x[i]=1EnQueue(Q,Ew+w[i],bestw,i,n);//右兒子結(jié)點(diǎn)總是可行的

EnQueue(Q,Ew,bestw,i,n);//x[i]=0Q.Delete(Ew);//取下一擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)

if(Ew==-1){//同層結(jié)點(diǎn)尾部

if(Q.IsEmpty())returnbestw;Q.Add(-1);//同層結(jié)點(diǎn)尾部標(biāo)志

Q.Delete(Ew);//取下一擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)

i++;}//進(jìn)入下一層

}}二、隊(duì)列式分支限界法15在算法的while循環(huán)中，首先檢測當(dāng)三、算法的改進(jìn)16節(jié)點(diǎn)的左子樹表示將此集裝箱裝上船，右子樹表示不將此集裝箱裝上船。設(shè)bestw是當(dāng)前最優(yōu)解；ew是當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)所相應(yīng)的重量；r是剩余集裝箱的重量。則當(dāng)ew+r<bestw時(shí)，可將其右子樹剪去。另外，為了確保右子樹成功剪枝，應(yīng)該在算法每一次進(jìn)入左子樹的時(shí)候更新bestw的值。//檢查左兒子結(jié)點(diǎn)

Typewt=Ew+w[i];//左兒子結(jié)點(diǎn)的重量

if(wt<=c){//可行結(jié)點(diǎn)

if(wt>bestw)bestw=wt;//加入活結(jié)點(diǎn)隊(duì)列

if(i<n)Q.Add(wt);}//檢查右兒子結(jié)點(diǎn)

if(Ew+r>bestw&&i<n)Q.Add(Ew);//可能含最優(yōu)解

Q.Delete(Ew);//取下一擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)三、算法的改進(jìn)16節(jié)點(diǎn)的左子樹表示將此集裝箱裝上船，右子樹表四、構(gòu)造最優(yōu)解17為了在算法結(jié)束后能方便地構(gòu)造出與最優(yōu)值相應(yīng)的最優(yōu)解，算法必須存儲(chǔ)相應(yīng)子集樹中從活結(jié)點(diǎn)到根結(jié)點(diǎn)的路徑。為此目的，可在每個(gè)結(jié)點(diǎn)處設(shè)置指向其父結(jié)點(diǎn)的指針，并設(shè)置左、右兒子標(biāo)志。找到最優(yōu)值后，可以根據(jù)parent回溯到根節(jié)點(diǎn)，找到最優(yōu)解。classQNode{QNode*parent;//指向父結(jié)點(diǎn)的指針

boolLChild;//左兒子標(biāo)志

Typeweight;//結(jié)點(diǎn)所相應(yīng)的載重量}//構(gòu)造當(dāng)前最優(yōu)解for(intj=n-1;j>0;j--){bestx[j]=bestE->LChild;bestE=bestE->parent;}四、構(gòu)造最優(yōu)解17為了在算法結(jié)束后能方便地構(gòu)造出與最優(yōu)值相應(yīng)五、優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法18解裝載問題的優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法用最大優(yōu)先隊(duì)列存儲(chǔ)活結(jié)點(diǎn)表?；罱Y(jié)點(diǎn)x在優(yōu)先隊(duì)列中的優(yōu)先級(jí)定義為從根結(jié)點(diǎn)到結(jié)點(diǎn)x的路徑所相應(yīng)的載重量再加上剩余集裝箱的重量之和。優(yōu)先隊(duì)列中優(yōu)先級(jí)最大的活結(jié)點(diǎn)成為下一個(gè)擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)。以結(jié)點(diǎn)x為根的子樹中所有結(jié)點(diǎn)相應(yīng)的路徑的載重量不超過它的優(yōu)先級(jí)。子集樹中葉結(jié)點(diǎn)所相應(yīng)的載重量與其優(yōu)先級(jí)相同。在優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法中，一旦有一個(gè)葉結(jié)點(diǎn)成為當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)，則可以斷言該葉結(jié)點(diǎn)所相應(yīng)的解即為最優(yōu)解。此時(shí)可終止算法。五、優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法18解裝載問題的優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法6.4布線問題19一、問題描述二、算法思想三、算法描述四、實(shí)例6.4布線問題19一、問題描述一、問題描述印刷電路板將布線區(qū)域劃分為n×m個(gè)方格陣列，如圖所示。精確的電路板布線問題要求確定連接方格a的中點(diǎn)到方格b的中點(diǎn)的最短布線方案。布線時(shí)電路只能沿直線或直角布線。為避免線路相交，已布線方格做上封閉標(biāo)記，其他線路布線不允許穿過封閉區(qū)域。為討論方便，我們假定電路板外面的區(qū)域?yàn)橐鸭臃忾]標(biāo)記的方格。ab20一、問題描述印刷電路板將布線區(qū)域劃分為n×m個(gè)方格陣列，如圖二、算法思想21解此問題的隊(duì)列式分支限界法從起始位置a開始將它作為第一個(gè)擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)。與該擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)相鄰并且可達(dá)的方格成為可行結(jié)點(diǎn)被加入到活結(jié)點(diǎn)隊(duì)列中，并且將這些方格標(biāo)記為1，即從起始方格a到這些方格的距離為1。接著，算法從活結(jié)點(diǎn)隊(duì)列中取出隊(duì)首結(jié)點(diǎn)作為下一個(gè)擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)，并將與當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)相鄰且未標(biāo)記過的方格標(biāo)記為2，并存入活結(jié)點(diǎn)隊(duì)列。這個(gè)過程一直繼續(xù)到算法搜索到目標(biāo)方格b或活結(jié)點(diǎn)隊(duì)列為空時(shí)為止。即加入剪枝的廣度優(yōu)先搜索。二、算法思想21解此問題的隊(duì)列式分支限界法從起始位置a開始將三、算法描述22Positionoffset[4];offset[0].row=0;offset[0].col=1;//右offset[1].row=1;offset[1].col=0;//下offset[2].row=0;offset[2].col=-1;//左offset[3].row=-1;offset[3].col=0;//上for(inti=0;i<=m+1;i++)grid[0][i]=grid[n+1][i]=1;//頂部和底部for(inti=0;i<=n+1;i++)grid[i][0]=grid[i][m+1]=1;//左翼和右翼for(inti=0;i<NumOfNbrs;i++){nbr.row=here.row+offset[i].row;nbr.col=here.col+offset[i].col;if(grid[nbr.row][nbr.col]==0){//該方格未標(biāo)記

grid[nbr.row][nbr.col]=grid[here.row][here.col]+1;if((nbr.row==finish.row)&&(nbr.col==finish.col))break;//完成布線

Q.Add(nbr);}}找到目標(biāo)位置后，可以通過回溯方法找到這條最短路徑。復(fù)雜性：O(mn)定義移動(dòng)方向的相對(duì)位移設(shè)置邊界的圍墻三、算法描述22Positionoffset[4];定義移四、實(shí)例2332211A12212b23485678678ab四、實(shí)例2332211A12212b23485678678a6.50-1背包問題24一、問題描述二、算法思想三、上界函數(shù)四、算法描述6.50-1背包問題24一、問題描述一、問題描述250-1背包問題略一、問題描述250-1背包問題二、算法思想26首先，要對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將各物品依其單位重量價(jià)值從大到小進(jìn)行排列。在下面描述的優(yōu)先隊(duì)列分支限界法中，節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)由已裝袋的物品價(jià)值加上剩下的最大單位重量價(jià)值的物品裝滿剩余容量的價(jià)值和。算法首先檢查當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的左兒子結(jié)點(diǎn)的可行性。如果該左兒子結(jié)點(diǎn)是可行結(jié)點(diǎn)，則將它加入到子集樹和活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列中。當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的右兒子結(jié)點(diǎn)一定是可行結(jié)點(diǎn)，僅當(dāng)右兒子結(jié)點(diǎn)滿足上界約束時(shí)才將它加入子集樹和活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列。當(dāng)擴(kuò)展到葉節(jié)點(diǎn)時(shí)為問題的最優(yōu)值。二、算法思想26首先，要對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將各物品依其單三、上界函數(shù)27while(i<=n&&w[i]<=cleft)//n表示物品總數(shù)，cleft為剩余空間

{cleft-=w[i];//w[i]表示i所占空間

b+=p[i];//p[i]表示i的價(jià)值

i++;}if(i<=n)b+=p[i]/w[i]*cleft;//裝填剩余容量裝滿背包returnb;//b為上界函數(shù)三、上界函數(shù)27while(i<=n&&w[i]四、算法描述28while(i!=n+1){//非葉結(jié)點(diǎn)

//檢查當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的左兒子結(jié)點(diǎn)

Typewwt=cw+w[i];if(wt<=c){//左兒子結(jié)點(diǎn)為可行結(jié)點(diǎn)

if(cp+p[i]>bestp)bestp=cp+p[i];AddLiveNode(up,cp+p[i],cw+w[i],true,i+1);}up=Bound(i+1);//檢查當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的右兒子結(jié)點(diǎn)

if(up>=bestp)//右子樹可能含最優(yōu)解

AddLiveNode(up,cp,cw,false,i+1);//取下一個(gè)擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)（略）}分支限界搜索過程四、算法描述28while(i!=n+1){//非6.6最大團(tuán)問題29一、問題描述二、上界函數(shù)三、算法思想四、算法描述6.6最大團(tuán)問題29一、問題描述一、問題描述30給定無向圖G=(V，E)。如果UV，且對(duì)任意u，vU有(u，v)E，則稱U是G的完全子圖。G的完全子圖U是G的團(tuán)當(dāng)且僅當(dāng)U不包含在G的更大的完全子圖中。G的最大團(tuán)是指G中所含頂點(diǎn)數(shù)最多的團(tuán)。下圖G中，子集{1，2}是G的大小為2的完全子圖。這個(gè)完全子圖不是團(tuán)，因?yàn)樗籊的更大的完全子圖{1，2，5}包含。{1，2，5}是G的最大團(tuán)。{1，4，5}和{2，3，5}也是G的最大團(tuán)。一、問題描述30給定無向圖G=(V，E)。如果UV，且對(duì)任二、上界函數(shù)31用變量cliqueSize表示與該結(jié)點(diǎn)相應(yīng)的團(tuán)的頂點(diǎn)數(shù)；level表示結(jié)點(diǎn)在子集空間樹中所處的層次；用cliqueSize+n-level+1作為頂點(diǎn)數(shù)上界upperSize的值。在此優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法中，upperSize實(shí)際上也是優(yōu)先隊(duì)列中元素的優(yōu)先級(jí)。算法總是從活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列中抽取具有最大upperSize值的元素作為下一個(gè)擴(kuò)展元素。二、上界函數(shù)31用變量cliqueSize表示與該結(jié)點(diǎn)相應(yīng)的三、算法思想32子集樹的根結(jié)點(diǎn)是初始擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)，對(duì)于這個(gè)特殊的擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)，其cliqueSize的值為0。算法在擴(kuò)展內(nèi)部結(jié)點(diǎn)時(shí)，首先考察其左兒子結(jié)點(diǎn)。在左兒子結(jié)點(diǎn)處，將頂點(diǎn)i加入到當(dāng)前團(tuán)中，并檢查該頂點(diǎn)與當(dāng)前團(tuán)中其它頂點(diǎn)之間是否有邊相連。當(dāng)頂點(diǎn)i與當(dāng)前團(tuán)中所有頂點(diǎn)之間都有邊相連，則相應(yīng)的左兒子結(jié)點(diǎn)是可行結(jié)點(diǎn)，將它加入到子集樹中并插入活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列，否則就不是可行結(jié)點(diǎn)。接著繼續(xù)考察當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的右兒子結(jié)點(diǎn)。當(dāng)upperSize>bestn時(shí)，右子樹中可能含有最優(yōu)解，此時(shí)將右兒子結(jié)點(diǎn)加入到子集樹中并插入到活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列中。算法的while循環(huán)的終止條件是遇到子集樹中的一個(gè)葉結(jié)點(diǎn)(即n+1層結(jié)點(diǎn))成為當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)。對(duì)于子集樹中的葉結(jié)點(diǎn)，有upperSize＝cliqueSize。此時(shí)活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列中剩余結(jié)點(diǎn)的upperSize值均不超過當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的upperSize值，從而進(jìn)一步搜索不可能得到更大的團(tuán)，此時(shí)算法已找到一個(gè)最優(yōu)解。三、算法思想32子集樹的根結(jié)點(diǎn)是初始擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)，對(duì)于這個(gè)特殊的四、算法描述33分支限界法求解最大團(tuán)問題算法描述略四、算法描述33分支限界法求解最大團(tuán)問題算法描述6.7旅行售貨員問題34一、問題描述二、問題分析三、算法描述6.7旅行售貨員問題34一、問題描述一、問題描述35某售貨員要到若干城市去推銷商品，已知各城市之間的路程(或旅費(fèi))。他要選定一條從駐地出發(fā)，經(jīng)過每個(gè)城市一次，最后回到駐地的路線，使總的路程(或總旅費(fèi))最小。路線是一個(gè)帶權(quán)圖。圖中各邊的費(fèi)用（權(quán)）為正數(shù)。圖的一條周游路線是包括V中的每個(gè)頂點(diǎn)在內(nèi)的一條回路。周游路線的費(fèi)用是這條路線上所有邊的費(fèi)用之和。旅行售貨員問題的解空間可以組織成一棵樹，從樹的根結(jié)點(diǎn)到任一葉結(jié)點(diǎn)的路徑定義了圖的一條周游路線。旅行售貨員問題要在圖G中找出費(fèi)用最小的周游路線。一、問題描述35某售貨員要到若干城市去推銷商品，已知各城市之二、問題分析36算法開始時(shí)創(chuàng)建一個(gè)最小堆，用于表示活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列。堆中每個(gè)結(jié)點(diǎn)的子樹費(fèi)用的下界lcost值是優(yōu)先隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)。接著算法計(jì)算出圖中每個(gè)頂點(diǎn)的最小費(fèi)用出邊并用minout記錄。如果所給的有向圖中某個(gè)頂點(diǎn)沒有出邊，則該圖不可能有回路，算法即告結(jié)束。如果每個(gè)頂點(diǎn)都有出邊，則根據(jù)計(jì)算出的minout作算法初始化。算法的while循環(huán)體完成對(duì)排列樹內(nèi)部結(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展。對(duì)于當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)，算法分2種情況進(jìn)行處理：1、首先考慮s=n-2的情形，此時(shí)當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)是排列樹中某個(gè)葉結(jié)點(diǎn)的父結(jié)點(diǎn)。如果該葉結(jié)點(diǎn)相應(yīng)一條可行回路且費(fèi)用小于當(dāng)前最小費(fèi)用，則將該葉結(jié)點(diǎn)插入到優(yōu)先隊(duì)列中，否則舍去該葉結(jié)點(diǎn)。2、當(dāng)s<n-2時(shí)，算法依次產(chǎn)生當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的所有兒子結(jié)點(diǎn)。由于當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)所相應(yīng)的路徑是x[0:s]，其可行兒子結(jié)點(diǎn)是從剩余頂點(diǎn)x[s+1:n-1]中選取的頂點(diǎn)x[i]，且(x[s]，x[i])是所給有向圖G中的一條邊。對(duì)于當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的每一個(gè)可行兒子結(jié)點(diǎn)，計(jì)算出其前綴(x[0:s]，x[i])的費(fèi)用cc和相應(yīng)的下界lcost。當(dāng)lcost<bestc時(shí)，將這個(gè)可行兒子結(jié)點(diǎn)插入到活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列中。二、問題分析36算法開始時(shí)創(chuàng)建一個(gè)最小堆，用于表示活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先（續(xù)）37算法中while循環(huán)的終止條件是排列樹的一個(gè)葉結(jié)點(diǎn)成為當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)。當(dāng)s=n-1時(shí)，已找到的回路前綴是x[0:n-1]，它已包含圖G的所有n個(gè)頂點(diǎn)。因此，當(dāng)s=n-1時(shí)，相應(yīng)的擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)表示一個(gè)葉結(jié)點(diǎn)。此時(shí)該葉結(jié)點(diǎn)所相應(yīng)的回路的費(fèi)用等于cc和lcost的值。剩余的活結(jié)點(diǎn)的lcost值不小于已找到的回路的費(fèi)用。它們都不可能導(dǎo)致費(fèi)用更小的回路。因此已找到的葉結(jié)點(diǎn)所相應(yīng)的回路是一個(gè)最小費(fèi)用旅行售貨員回路，算法可以結(jié)束。算法結(jié)束時(shí)返回找到的最小費(fèi)用，相應(yīng)的最優(yōu)解由數(shù)組v給出。（續(xù)）37算法中while循環(huán)的終止條件是排列樹的一個(gè)葉結(jié)點(diǎn)三、算法描述38旅行售貨員問題分支限界法算法描述略三、算法描述38旅行售貨員問題分支限界法算法描述6.8電路板排列問題39一、問題描述二、問題實(shí)例三、問題分析四、算法描述6.8電路板排列問題39一、問題描述一、問題描述40電路板排列問題是大規(guī)模電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提出的一個(gè)實(shí)際問題。該問題的經(jīng)典提法是：將n塊電路板以最佳排列方式插入帶有n個(gè)插槽的機(jī)箱中。n塊電路板的不同排列方式對(duì)應(yīng)于不同的電路板插入方案。設(shè)B={1,2,…,n}是n塊電路板的集合，L={N1,N2,…,Nm}是連接這n塊電路板中若干電路板的m個(gè)連接塊。Ni是B的一個(gè)子集，且Ni中的電路板用同一條導(dǎo)線連接在一起。設(shè)x表示n塊電路板的一個(gè)排列，即在機(jī)箱的第i個(gè)插槽中插入的電路板編號(hào)是x[i]。x所確定的電路板排列Density(x)密度定義為跨越相鄰電路板插槽的最大連線數(shù)。在設(shè)計(jì)機(jī)箱時(shí)，插槽一側(cè)的布線間隙由電路板排列的密度確定。因此，電路板排列問題要求對(duì)于給定的電路板連接條件，確定電路板的最佳排列，使其具有最小密度。一、問題描述40電路板排列問題是大規(guī)模電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提出的一二、問題實(shí)例41n=8,m=5B={1,2,3,4,5,6,7,8}N1={4,5,6};N2={2,3};N3={1,3};N4={3,6};N5={7,8}其中一個(gè)可能的排列如圖所示，則該電路板排列的密度是2另一種可能的組合如下如所示，密度？N2N3N4N1N5板：21345678槽：12345678N2N3N4N1N5板：86123457槽：12345678二、問題實(shí)例41n=8,m=5N2N3N4N1N5板：2三、問題分析42算法開始時(shí)，將排列樹的根結(jié)點(diǎn)置為當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)。在do-while循環(huán)體內(nèi)算法依次從活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列中取出具有最小cd值的結(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)，并加以擴(kuò)展。首先考慮s=n-1的情形，當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)是排列樹中的一個(gè)葉結(jié)點(diǎn)的父結(jié)點(diǎn)。x表示相應(yīng)于該葉結(jié)點(diǎn)的電路板排列。計(jì)算出與x相應(yīng)的密度并在必要時(shí)更新當(dāng)前最優(yōu)值和相應(yīng)的當(dāng)前最優(yōu)解。當(dāng)s<n-1時(shí)，算法依次產(chǎn)生當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的所有兒子結(jié)點(diǎn)。對(duì)于當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的每一個(gè)兒子結(jié)點(diǎn)node，計(jì)算出其相應(yīng)的密度node.cd。當(dāng)node.cd<bestd時(shí)，將該兒子結(jié)點(diǎn)N插入到活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列中。三、問題分析42算法開始時(shí)，將排列樹的根結(jié)點(diǎn)置為當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)四、算法描述43do{//結(jié)點(diǎn)擴(kuò)展

if(E.s==n-1){//僅一個(gè)兒子結(jié)點(diǎn)

intld=0;//最后一塊電路板的密度

for(intj=1;j<=m;j++)ld+=B[E.x[n]][j];if(ld<bestd){//密度更小的電路板排列

delete[]bestx;bestx=E.x;bestd=max(ld,E.cd);}else{//產(chǎn)生當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的所有兒子結(jié)點(diǎn)

for(inti=E.s+1;i<=n;i++){BoardNodeN;N.now=newint[m+1];for(intj=1;j<=m;j++)//新插入的電路板

N.now[j]=E.now[j]+B[E.x[i]][j];intld=0;//新插入電路板的密度

for(intj=1;j<=m;j++)if(N.now[j]>0&&total[j]!=N.now[j])ld++;N.cd=max(ld,E.cd);if(N.cd<bestd){//可能產(chǎn)生更好的葉結(jié)點(diǎn)

N.x=newint[n+1];N.s=E.s+1;for(intj=1;j<=n;j++)N.x[j]=E.x[j];N.x[N.s]=E.x[i];N.x[i]=E.x[N.s];H.Insert(N);}elsedelete[]N.now;}delete[]E.x;}四、算法描述43do{//結(jié)點(diǎn)擴(kuò)展for(intj第六章分支限界法44學(xué)習(xí)要點(diǎn)理解分支限界法的剪枝搜索策略。掌握分支限界法的算法框架隊(duì)列式(FIFO)分支限界法優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法通過應(yīng)用范例學(xué)習(xí)分支限界法的設(shè)計(jì)策略。單源最短路徑問題裝載問題；布線問題0-1背包問題；最大團(tuán)問題；旅行售貨員問題電路板排列問題批處理作業(yè)調(diào)度問題第六章分支限界法1學(xué)習(xí)要點(diǎn)引言45分支限界法類似于回溯法，也是一種在問題的解空間樹T中搜索問題解的算法。分支限界法與回溯法的求解目標(biāo)不同：回溯法是找出滿足約束條件的所有解分支限界法是找出滿足條件的一個(gè)解，或某種意義下的最優(yōu)解搜索方式不同回溯法：深度優(yōu)先分支限界法：廣度優(yōu)先或最小耗費(fèi)優(yōu)先引言2分支限界法類似于回溯法，也是一種在問題的解空間樹T中搜6.1分支限界法的基本思想46一、基本思想二、常見的兩種分支限界法三、0-1背包問題四、旅行售貨員問題6.1分支限界法的基本思想3一、基本思想一、基本思想47分支限界法常以廣度優(yōu)先或以最小耗費(fèi)（最大效益）優(yōu)先的方式搜索問題的解空間樹。在分支限界法中，每一個(gè)活結(jié)點(diǎn)只有一次機(jī)會(huì)成為擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)?；罱Y(jié)點(diǎn)一旦成為擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)，就一次性產(chǎn)生其所有兒子結(jié)點(diǎn)。在這些兒子結(jié)點(diǎn)中，導(dǎo)致不可行解或?qū)е路亲顑?yōu)解的兒子結(jié)點(diǎn)被舍棄，其余兒子結(jié)點(diǎn)被加入活結(jié)點(diǎn)表中。此后，從活結(jié)點(diǎn)表中取下一結(jié)點(diǎn)成為當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)，并重復(fù)上述結(jié)點(diǎn)擴(kuò)展過程。這個(gè)過程一直持續(xù)到找到所需的解或活結(jié)點(diǎn)表為空時(shí)為止。一、基本思想4分支限界法常以廣度優(yōu)先或以最小耗費(fèi)（最大效益）二、常見的兩種分支限界法48從活結(jié)點(diǎn)表中選擇下一擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的不同方式導(dǎo)致不同的分支限界法：隊(duì)列式(FIFO)分支限界法：按照隊(duì)列先進(jìn)先出（FIFO）原則選取下一個(gè)節(jié)點(diǎn)為擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)。優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法：按照優(yōu)先隊(duì)列中規(guī)定的優(yōu)先級(jí)選取優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)成為當(dāng)前擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)。最大優(yōu)先隊(duì)列：使用最大堆，體現(xiàn)最大效益優(yōu)先最小優(yōu)先隊(duì)列：使用最小堆，體現(xiàn)最小費(fèi)用優(yōu)先二、常見的兩種分支限界法5從活結(jié)點(diǎn)表中選擇下一擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的不同三、0-1背包問題49考慮如下0-1背包問題的實(shí)例：n=3,c=30,w=[16,15,15],p=[45,25,25]隊(duì)列式分支限界法：[A]B,C=>B,C[B,C]D,E=>E[C,E]F,G=>F,G[E,F,G]J,K=>K(45)[1,0,0][F,G]L,M=>L(50)[0,1,1]M(25)[G]N,0=>N(25),O(0)不搜索一不可行結(jié)點(diǎn)為根的子樹優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法：[A]B,C=>B(45),C(0)[B,C]D,E=>E(45)[E,C]J,K=>K(45)[1,0,0][C]F,G=>F(25),G(0)[F,G]L,M=>L(50),[0,1,1]M(25)[G]N,O=>N(25),O(0)可用剪枝函數(shù)加速搜索ABCDEFGHIJKLMNO10三、0-1背包問題6考慮如下0-1背包問題的實(shí)例：ABCDE四、旅行售貨員問題50隊(duì)列式分支限界法：[A]B,C,D[B,C,D]E,F[C,D,E,F]G,H[D,E,F,G,H]I,J[E,F,G,H,I,J]K(59)[1,2,3,4][F,G,H,I,J]L(66)[G,H,I,J]M(25)[1,3,2,4][H,I,J]1-3-4(26)[I,J]O(25)[J]P(59)優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法：[A]B,C,D=>B(30),C(6),D(4)[D,C,B]I,J=>I(14),J(24)[C,I,J,B]G,H=>G(11),H(26)[G,I,J,B,H]M=>M(25)[1,3,2,4][I,J,B,H]O=>O(25)[J,B,H]P=>P(59)[B,H]B,H限界掉1234643020510ABCDEFGHIJKLMNOP1234342423434232四、旅行售貨員問題7隊(duì)列式分支限界法：123464302056.2單源最短路徑問題51一、問題描述二、算法思想三、剪枝策略四、算法描述6.2單源最短路徑問題8一、問題描述一、問題描述52下面以一個(gè)例子來說明單源最短路徑問題：在右上圖所給的有向圖G中，每一邊都有一個(gè)非負(fù)邊權(quán)。要求圖G的從源頂點(diǎn)s到目標(biāo)頂點(diǎn)t之間的最短路徑。右下圖是用優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法解有向圖G的單源最短路徑問題產(chǎn)生的解空間樹。其中，每一個(gè)結(jié)點(diǎn)旁邊的數(shù)字表示該結(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的當(dāng)前路長。一、問題描述9下面以一個(gè)例子來說明單源最短路徑問題：在右上圖二、算法思想53解單源最短路徑問題的優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法用一極小堆來存儲(chǔ)活結(jié)點(diǎn)表。其優(yōu)先級(jí)是結(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的當(dāng)前路長。算法從圖G的源頂點(diǎn)s和空優(yōu)先隊(duì)列開始。結(jié)點(diǎn)s被擴(kuò)展后，它的兒子結(jié)點(diǎn)被依次插入堆中。此后，算法從堆中取出具有最小當(dāng)前路長的結(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)，并依次檢查與當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)相鄰的所有頂點(diǎn)。如果從當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)i到頂點(diǎn)j有邊可達(dá)，且從源出發(fā)，途經(jīng)頂點(diǎn)i再到頂點(diǎn)j的所相應(yīng)的路徑的長度小于當(dāng)前最優(yōu)路徑長度，則將該頂點(diǎn)作為活結(jié)點(diǎn)插入到活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列中。這個(gè)結(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展過程一直繼續(xù)到活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列為空時(shí)為止。二、算法思想10解單源最短路徑問題的優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法用一三、剪枝策略54在算法擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的過程中，一旦發(fā)現(xiàn)一個(gè)結(jié)點(diǎn)的下界不小于當(dāng)前找到的最短路長，則算法剪去以該結(jié)點(diǎn)為根的子樹。在算法中，利用結(jié)點(diǎn)間的控制關(guān)系進(jìn)行剪枝。從源頂點(diǎn)s出發(fā)，2條不同路徑到達(dá)圖G的同一頂點(diǎn)。由于兩條路徑的路長不同，因此可以將路長長的路徑所對(duì)應(yīng)的樹中的結(jié)點(diǎn)為根的子樹剪去。三、剪枝策略11在算法擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的過程中，一旦發(fā)現(xiàn)一個(gè)結(jié)點(diǎn)的下四、算法描述55while(true){for(intj=1;j<=n;j++)if((c[E.i][j]<inf)&&(E.length+c[E.i][j]<dist[j])){//頂點(diǎn)i到頂點(diǎn)j可達(dá)，且滿足控制約束

dist[j]=E.length+c[E.i][j];prev[j]=E.i;//加入活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列

MinHeapNode<Type>N;N.i=j;N.length=dist[j];H.Insert(N);}try{H.DeleteMin(E);}//取下一擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)

catch(OutOfBounds){break;}//優(yōu)先隊(duì)列空

}}頂點(diǎn)I和j間有邊，且此路徑長小于原先從原點(diǎn)到j(luò)的路徑長四、算法描述12while(true){頂點(diǎn)I和j間有6.3裝載問題56一、問題描述二、隊(duì)列式分支限界法三、算法的改進(jìn)四、構(gòu)造最優(yōu)解五、優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法6.3裝載問題13一、問題描述一、問題描述57有一批共個(gè)集裝箱要裝上2艘載重量分別為C1和C2的輪船，其中集裝箱i的重量為wi，且∑wi≤C1+C2裝載問題要求確定是否有一個(gè)合理的裝載方案可將這個(gè)集裝箱裝上這2艘輪船。如果有，找出一種裝載方案。容易證明：如果一個(gè)給定裝載問題有解，則采用下面的策略可得到最優(yōu)裝載方案。(1)首先將第一艘輪船盡可能裝滿；(2)將剩余的集裝箱裝上第二艘輪船。一、問題描述14有一批共個(gè)集裝箱要裝上2艘載重量分別為C1和二、隊(duì)列式分支限界法58在算法的while循環(huán)中，首先檢測當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的左兒子結(jié)點(diǎn)是否為可行結(jié)點(diǎn)。如果是則將其加入到活結(jié)點(diǎn)隊(duì)列中。然后將其右兒子結(jié)點(diǎn)加入到活結(jié)點(diǎn)隊(duì)列中(右兒子結(jié)點(diǎn)一定是可行結(jié)點(diǎn))。2個(gè)兒子結(jié)點(diǎn)都產(chǎn)生后，當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)被舍棄?；罱Y(jié)點(diǎn)隊(duì)列中的隊(duì)首元素被取出作為當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)，由于隊(duì)列中每一層結(jié)點(diǎn)之后都有一個(gè)尾部標(biāo)記-1，故在取隊(duì)首元素時(shí)，活結(jié)點(diǎn)隊(duì)列一定不空。當(dāng)取出的元素是-1時(shí)，再判斷當(dāng)前隊(duì)列是否為空。如果隊(duì)列非空，則將尾部標(biāo)記-1加入活結(jié)點(diǎn)隊(duì)列，算法開始處理下一層的活結(jié)點(diǎn)。while(true){//檢查左兒子結(jié)點(diǎn)

if(Ew+w[i]<=c)//x[i]=1EnQueue(Q,Ew+w[i],bestw,i,n);//右兒子結(jié)點(diǎn)總是可行的

EnQueue(Q,Ew,bestw,i,n);//x[i]=0Q.Delete(Ew);//取下一擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)

if(Ew==-1){//同層結(jié)點(diǎn)尾部

if(Q.IsEmpty())returnbestw;Q.Add(-1);//同層結(jié)點(diǎn)尾部標(biāo)志

Q.Delete(Ew);//取下一擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)

i++;}//進(jìn)入下一層

}}二、隊(duì)列式分支限界法15在算法的while循環(huán)中，首先檢測當(dāng)三、算法的改進(jìn)59節(jié)點(diǎn)的左子樹表示將此集裝箱裝上船，右子樹表示不將此集裝箱裝上船。設(shè)bestw是當(dāng)前最優(yōu)解；ew是當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)所相應(yīng)的重量；r是剩余集裝箱的重量。則當(dāng)ew+r<bestw時(shí)，可將其右子樹剪去。另外，為了確保右子樹成功剪枝，應(yīng)該在算法每一次進(jìn)入左子樹的時(shí)候更新bestw的值。//檢查左兒子結(jié)點(diǎn)

Typewt=Ew+w[i];//左兒子結(jié)點(diǎn)的重量

if(wt<=c){//可行結(jié)點(diǎn)

if(wt>bestw)bestw=wt;//加入活結(jié)點(diǎn)隊(duì)列

if(i<n)Q.Add(wt);}//檢查右兒子結(jié)點(diǎn)

if(Ew+r>bestw&&i<n)Q.Add(Ew);//可能含最優(yōu)解

Q.Delete(Ew);//取下一擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)三、算法的改進(jìn)16節(jié)點(diǎn)的左子樹表示將此集裝箱裝上船，右子樹表四、構(gòu)造最優(yōu)解60為了在算法結(jié)束后能方便地構(gòu)造出與最優(yōu)值相應(yīng)的最優(yōu)解，算法必須存儲(chǔ)相應(yīng)子集樹中從活結(jié)點(diǎn)到根結(jié)點(diǎn)的路徑。為此目的，可在每個(gè)結(jié)點(diǎn)處設(shè)置指向其父結(jié)點(diǎn)的指針，并設(shè)置左、右兒子標(biāo)志。找到最優(yōu)值后，可以根據(jù)parent回溯到根節(jié)點(diǎn)，找到最優(yōu)解。classQNode{QNode*parent;//指向父結(jié)點(diǎn)的指針

boolLChild;//左兒子標(biāo)志

Typeweight;//結(jié)點(diǎn)所相應(yīng)的載重量}//構(gòu)造當(dāng)前最優(yōu)解for(intj=n-1;j>0;j--){bestx[j]=bestE->LChild;bestE=bestE->parent;}四、構(gòu)造最優(yōu)解17為了在算法結(jié)束后能方便地構(gòu)造出與最優(yōu)值相應(yīng)五、優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法61解裝載問題的優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法用最大優(yōu)先隊(duì)列存儲(chǔ)活結(jié)點(diǎn)表?；罱Y(jié)點(diǎn)x在優(yōu)先隊(duì)列中的優(yōu)先級(jí)定義為從根結(jié)點(diǎn)到結(jié)點(diǎn)x的路徑所相應(yīng)的載重量再加上剩余集裝箱的重量之和。優(yōu)先隊(duì)列中優(yōu)先級(jí)最大的活結(jié)點(diǎn)成為下一個(gè)擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)。以結(jié)點(diǎn)x為根的子樹中所有結(jié)點(diǎn)相應(yīng)的路徑的載重量不超過它的優(yōu)先級(jí)。子集樹中葉結(jié)點(diǎn)所相應(yīng)的載重量與其優(yōu)先級(jí)相同。在優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法中，一旦有一個(gè)葉結(jié)點(diǎn)成為當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)，則可以斷言該葉結(jié)點(diǎn)所相應(yīng)的解即為最優(yōu)解。此時(shí)可終止算法。五、優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法18解裝載問題的優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法6.4布線問題62一、問題描述二、算法思想三、算法描述四、實(shí)例6.4布線問題19一、問題描述一、問題描述印刷電路板將布線區(qū)域劃分為n×m個(gè)方格陣列，如圖所示。精確的電路板布線問題要求確定連接方格a的中點(diǎn)到方格b的中點(diǎn)的最短布線方案。布線時(shí)電路只能沿直線或直角布線。為避免線路相交，已布線方格做上封閉標(biāo)記，其他線路布線不允許穿過封閉區(qū)域。為討論方便，我們假定電路板外面的區(qū)域?yàn)橐鸭臃忾]標(biāo)記的方格。ab63一、問題描述印刷電路板將布線區(qū)域劃分為n×m個(gè)方格陣列，如圖二、算法思想64解此問題的隊(duì)列式分支限界法從起始位置a開始將它作為第一個(gè)擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)。與該擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)相鄰并且可達(dá)的方格成為可行結(jié)點(diǎn)被加入到活結(jié)點(diǎn)隊(duì)列中，并且將這些方格標(biāo)記為1，即從起始方格a到這些方格的距離為1。接著，算法從活結(jié)點(diǎn)隊(duì)列中取出隊(duì)首結(jié)點(diǎn)作為下一個(gè)擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)，并將與當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)相鄰且未標(biāo)記過的方格標(biāo)記為2，并存入活結(jié)點(diǎn)隊(duì)列。這個(gè)過程一直繼續(xù)到算法搜索到目標(biāo)方格b或活結(jié)點(diǎn)隊(duì)列為空時(shí)為止。即加入剪枝的廣度優(yōu)先搜索。二、算法思想21解此問題的隊(duì)列式分支限界法從起始位置a開始將三、算法描述65Positionoffset[4];offset[0].row=0;offset[0].col=1;//右offset[1].row=1;offset[1].col=0;//下offset[2].row=0;offset[2].col=-1;//左offset[3].row=-1;offset[3].col=0;//上for(inti=0;i<=m+1;i++)grid[0][i]=grid[n+1][i]=1;//頂部和底部for(inti=0;i<=n+1;i++)grid[i][0]=grid[i][m+1]=1;//左翼和右翼for(inti=0;i<NumOfNbrs;i++){nbr.row=here.row+offset[i].row;nbr.col=here.col+offset[i].col;if(grid[nbr.row][nbr.col]==0){//該方格未標(biāo)記

grid[nbr.row][nbr.col]=grid[here.row][here.col]+1;if((nbr.row==finish.row)&&(nbr.col==finish.col))break;//完成布線

Q.Add(nbr);}}找到目標(biāo)位置后，可以通過回溯方法找到這條最短路徑。復(fù)雜性：O(mn)定義移動(dòng)方向的相對(duì)位移設(shè)置邊界的圍墻三、算法描述22Positionoffset[4];定義移四、實(shí)例6632211A12212b23485678678ab四、實(shí)例2332211A12212b23485678678a6.50-1背包問題67一、問題描述二、算法思想三、上界函數(shù)四、算法描述6.50-1背包問題24一、問題描述一、問題描述680-1背包問題略一、問題描述250-1背包問題二、算法思想69首先，要對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將各物品依其單位重量價(jià)值從大到小進(jìn)行排列。在下面描述的優(yōu)先隊(duì)列分支限界法中，節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)由已裝袋的物品價(jià)值加上剩下的最大單位重量價(jià)值的物品裝滿剩余容量的價(jià)值和。算法首先檢查當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的左兒子結(jié)點(diǎn)的可行性。如果該左兒子結(jié)點(diǎn)是可行結(jié)點(diǎn)，則將它加入到子集樹和活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列中。當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的右兒子結(jié)點(diǎn)一定是可行結(jié)點(diǎn)，僅當(dāng)右兒子結(jié)點(diǎn)滿足上界約束時(shí)才將它加入子集樹和活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列。當(dāng)擴(kuò)展到葉節(jié)點(diǎn)時(shí)為問題的最優(yōu)值。二、算法思想26首先，要對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將各物品依其單三、上界函數(shù)70while(i<=n&&w[i]<=cleft)//n表示物品總數(shù)，cleft為剩余空間

{cleft-=w[i];//w[i]表示i所占空間

b+=p[i];//p[i]表示i的價(jià)值

i++;}if(i<=n)b+=p[i]/w[i]*cleft;//裝填剩余容量裝滿背包returnb;//b為上界函數(shù)三、上界函數(shù)27while(i<=n&&w[i]四、算法描述71while(i!=n+1){//非葉結(jié)點(diǎn)

//檢查當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的左兒子結(jié)點(diǎn)

Typewwt=cw+w[i];if(wt<=c){//左兒子結(jié)點(diǎn)為可行結(jié)點(diǎn)

if(cp+p[i]>bestp)bestp=cp+p[i];AddLiveNode(up,cp+p[i],cw+w[i],true,i+1);}up=Bound(i+1);//檢查當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的右兒子結(jié)點(diǎn)

if(up>=bestp)//右子樹可能含最優(yōu)解

AddLiveNode(up,cp,cw,false,i+1);//取下一個(gè)擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)（略）}分支限界搜索過程四、算法描述28while(i!=n+1){//非6.6最大團(tuán)問題72一、問題描述二、上界函數(shù)三、算法思想四、算法描述6.6最大團(tuán)問題29一、問題描述一、問題描述73給定無向圖G=(V，E)。如果UV，且對(duì)任意u，vU有(u，v)E，則稱U是G的完全子圖。G的完全子圖U是G的團(tuán)當(dāng)且僅當(dāng)U不包含在G的更大的完全子圖中。G的最大團(tuán)是指G中所含頂點(diǎn)數(shù)最多的團(tuán)。下圖G中，子集{1，2}是G的大小為2的完全子圖。這個(gè)完全子圖不是團(tuán)，因?yàn)樗籊的更大的完全子圖{1，2，5}包含。{1，2，5}是G的最大團(tuán)。{1，4，5}和{2，3，5}也是G的最大團(tuán)。一、問題描述30給定無向圖G=(V，E)。如果UV，且對(duì)任二、上界函數(shù)74用變量cliqueSize表示與該結(jié)點(diǎn)相應(yīng)的團(tuán)的頂點(diǎn)數(shù)；level表示結(jié)點(diǎn)在子集空間樹中所處的層次；用cliqueSize+n-level+1作為頂點(diǎn)數(shù)上界upperSize的值。在此優(yōu)先隊(duì)列式分支限界法中，upperSize實(shí)際上也是優(yōu)先隊(duì)列中元素的優(yōu)先級(jí)。算法總是從活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列中抽取具有最大upperSize值的元素作為下一個(gè)擴(kuò)展元素。二、上界函數(shù)31用變量cliqueSize表示與該結(jié)點(diǎn)相應(yīng)的三、算法思想75子集樹的根結(jié)點(diǎn)是初始擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)，對(duì)于這個(gè)特殊的擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)，其cliqueSize的值為0。算法在擴(kuò)展內(nèi)部結(jié)點(diǎn)時(shí)，首先考察其左兒子結(jié)點(diǎn)。在左兒子結(jié)點(diǎn)處，將頂點(diǎn)i加入到當(dāng)前團(tuán)中，并檢查該頂點(diǎn)與當(dāng)前團(tuán)中其它頂點(diǎn)之間是否有邊相連。當(dāng)頂點(diǎn)i與當(dāng)前團(tuán)中所有頂點(diǎn)之間都有邊相連，則相應(yīng)的左兒子結(jié)點(diǎn)是可行結(jié)點(diǎn)，將它加入到子集樹中并插入活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列，否則就不是可行結(jié)點(diǎn)。接著繼續(xù)考察當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的右兒子結(jié)點(diǎn)。當(dāng)upperSize>bestn時(shí)，右子樹中可能含有最優(yōu)解，此時(shí)將右兒子結(jié)點(diǎn)加入到子集樹中并插入到活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列中。算法的while循環(huán)的終止條件是遇到子集樹中的一個(gè)葉結(jié)點(diǎn)(即n+1層結(jié)點(diǎn))成為當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)。對(duì)于子集樹中的葉結(jié)點(diǎn)，有upperSize＝cliqueSize。此時(shí)活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列中剩余結(jié)點(diǎn)的upperSize值均不超過當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的upperSize值，從而進(jìn)一步搜索不可能得到更大的團(tuán)，此時(shí)算法已找到一個(gè)最優(yōu)解。三、算法思想32子集樹的根結(jié)點(diǎn)是初始擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)，對(duì)于這個(gè)特殊的四、算法描述76分支限界法求解最大團(tuán)問題算法描述略四、算法描述33分支限界法求解最大團(tuán)問題算法描述6.7旅行售貨員問題77一、問題描述二、問題分析三、算法描述6.7旅行售貨員問題34一、問題描述一、問題描述78某售貨員要到若干城市去推銷商品，已知各城市之間的路程(或旅費(fèi))。他要選定一條從駐地出發(fā)，經(jīng)過每個(gè)城市一次，最后回到駐地的路線，使總的路程(或總旅費(fèi))最小。路線是一個(gè)帶權(quán)圖。圖中各邊的費(fèi)用（權(quán)）為正數(shù)。圖的一條周游路線是包括V中的每個(gè)頂點(diǎn)在內(nèi)的一條回路。周游路線的費(fèi)用是這條路線上所有邊的費(fèi)用之和。旅行售貨員問題的解空間可以組織成一棵樹，從樹的根結(jié)點(diǎn)到任一葉結(jié)點(diǎn)的路徑定義了圖的一條周游路線。旅行售貨員問題要在圖G中找出費(fèi)用最小的周游路線。一、問題描述35某售貨員要到若干城市去推銷商品，已知各城市之二、問題分析79算法開始時(shí)創(chuàng)建一個(gè)最小堆，用于表示活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列。堆中每個(gè)結(jié)點(diǎn)的子樹費(fèi)用的下界lcost值是優(yōu)先隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)。接著算法計(jì)算出圖中每個(gè)頂點(diǎn)的最小費(fèi)用出邊并用minout記錄。如果所給的有向圖中某個(gè)頂點(diǎn)沒有出邊，則該圖不可能有回路，算法即告結(jié)束。如果每個(gè)頂點(diǎn)都有出邊，則根據(jù)計(jì)算出的minout作算法初始化。算法的while循環(huán)體完成對(duì)排列樹內(nèi)部結(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展。對(duì)于當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)，算法分2種情況進(jìn)行處理：1、首先考慮s=n-2的情形，此時(shí)當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)是排列樹中某個(gè)葉結(jié)點(diǎn)的父結(jié)點(diǎn)。如果該葉結(jié)點(diǎn)相應(yīng)一條可行回路且費(fèi)用小于當(dāng)前最小費(fèi)用，則將該葉結(jié)點(diǎn)插入到優(yōu)先隊(duì)列中，否則舍去該葉結(jié)點(diǎn)。2、當(dāng)s<n-2時(shí)，算法依次產(chǎn)生當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的所有兒子結(jié)點(diǎn)。由于當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)所相應(yīng)的路徑是x[0:s]，其可行兒子結(jié)點(diǎn)是從剩余頂點(diǎn)x[s+1:n-1]中選取的頂點(diǎn)x[i]，且(x[s]，x[i])是所給有向圖G中的一條邊。對(duì)于當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的每一個(gè)可行兒子結(jié)點(diǎn)，計(jì)算出其前綴(x[0:s]，x[i])的費(fèi)用cc和相應(yīng)的下界lcost。當(dāng)lcost<bestc時(shí)，將這個(gè)可行兒子結(jié)點(diǎn)插入到活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先隊(duì)列中。二、問題分析36算法開始時(shí)創(chuàng)建一個(gè)最小堆，用于表示活結(jié)點(diǎn)優(yōu)先（續(xù)）80算法中while循環(huán)的終止條件是排列樹的一個(gè)葉結(jié)點(diǎn)成為當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)。當(dāng)s=