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V2EX 提问指南
faketemp
V2EX  ›  问与答

算法求救:数组中任意 N 个数的和 最接近指定数值,详述见内……

  •  
  •   faketemp · 2016-11-20 15:38:08 +08:00 · 8458 次点击
    这是一个创建于 2927 天前的主题,其中的信息可能已经有所发展或是发生改变。

    问题:有一组 float 型数值(设为 500 个),设目标值 goal 为 2000000 ,若单个数值不能拆分,如何求出数组中任意个数数值之和最接近 goal 的一组数值组合??

    尝试:先删除数组中大于 goal 的所有数值(减少运算量),用 python 的 itertools.combinations 来生成任意个数数值的所有可能组合,逐个求和并过滤掉总和大于 goal 值的组合,最后 max 得出结果

    失败:然而想法是好的,上述尝试生成的组合可能超过百亿,运行几十秒直接“ Memory Error ”

    难点: 需要求出最接近 goal (而非等于)的一个组合,是不是意味着必须穷举所有可能??

    23 条回复    2016-11-24 20:58:11 +08:00
    faketemp
        1
    faketemp  
    OP
       2016-11-20 15:45:22 +08:00
    #Python 3.x
    from itertools import combinations
    from heapq import nlargest

    def trans(szNum):
    return szNum.translate(str.maketrans('','',',,"“”'))

    goal =2000000
    num = [2627958.99,1903995.67,3133207.37,1000626.65,1377193.42,389084.48,1445055.87,402488.74,2908761.03,1154304.95,1384296.51,895361.64,5769.90,215879.19,56482.19,517084.97,41702.36,539160.33]

    [num.remove(i) for i,v in enumerate(num) if v > goal]
    countNum = len(num)
    dResult = {}
    for j in range(1,countNum + 1):
    tL = combinations(num,j)
    dResult.update({k:v for k,v in zip(map(sum,tL),tL) if k<=goal})

    print({k:dResult[k] for k in nlargest(5,dResult)})
    --------------------------------------------------------------------------------------------
    大概是上面这种伪代码(演示需要,未测试),只是这种穷举的算法在 num 超过 50 的情况下就会导致内存耗尽(更别说 500 个值参与运算了),即使使用 X64 Python ,也因计算量大导致时间过长——这种方法并不可取, V 友有何高见????
    SingingZhou
        2
    SingingZhou  
       2016-11-20 15:57:41 +08:00 via iPhone
    唔,其实你不需要把所有的不同组合都保存下来,你保存一个最接近的就好了,这样就不会超内存了…不过这样仍然是一个很慢的算法

    可以考虑用类似背包的动态规划,复杂度 2000000×500 左右,会快一些,但是内存占用比较大

    暂时没啥特别好的想法
    GtDzx
        3
    GtDzx  
       2016-11-20 16:03:32 +08:00
    如果是整数,并且 goal 不很大的话,可以时间 O(goal * N)、空间 O(goal)的 DP
    float 没有办法用上面的 DP
    faketemp
        4
    faketemp  
    OP
       2016-11-20 16:08:03 +08:00
    @SingingZhou 谢答!只是不计算所有组合的和,如何判断哪个才是与 goal 值“最接近”的呢??

    如果某组合的和正好等于 goal 则结束运算即可,只是这种几率过小了(⊙﹏⊙)b ……

    所以才需要算出全部和,最判断找出“最接近”——这个算法很笨,确实我想得起的唯一 一个办法……
    SingingZhou
        5
    SingingZhou  
       2016-11-20 16:09:05 +08:00 via iPhone
    @SingingZhou 傻了…发现是 float
    wy315700
        6
    wy315700  
       2016-11-20 16:10:22 +08:00
    01 背包问题
    SingingZhou
        7
    SingingZhou  
       2016-11-20 16:10:30 +08:00 via iPhone
    @faketemp 我的意思是你只需要保存最接近的那个组合,如果新的组合更接近 goal 的时候,再更新这样?
    faketemp
        8
    faketemp  
    OP
       2016-11-20 16:10:45 +08:00
    @GtDzx 我试了,如果 num 总数在 20 个以内,答案是可以在几秒内算出,然后 num 超过 100 的话……

    数值来自交易数据,几乎全部是 float 值
    SingingZhou
        9
    SingingZhou  
       2016-11-20 16:18:39 +08:00 via iPhone
    @faketemp 看了看代码,发现是一次性生成所有可能的组合,那确实会比较慢…我觉得如果自己写 dfs ,然后加点最优性剪枝应该能快些,也不至于内存不足这样……
    publicID002
        10
    publicID002  
       2016-11-20 16:34:51 +08:00 via Android
    看样子乘 100 就变整数了吧,那样就可以用上面说的 DP 做了
    v9ox
        11
    v9ox  
       2016-11-20 17:19:24 +08:00 via iPhone
    这不就是 leetcode 的 K sum 嘛

    复杂度 n^(K-1)
    starqoq
        12
    starqoq  
       2016-11-20 18:59:41 +08:00
    你可以尝试全部四舍五入变成整数,然后按照 01 背包做,最后取前后的 250 个结果(因为计算误差最多这么多)做精准计算。但是这样依然可能会有较小的的误差。例如两个方案的和只差 0.1 ,那么就无法准确地找到较好的那个方案。
    准确解应该没有办法在多项式内找到。毕竟有小数的话,状态空间会很大。
    ipwx
        13
    ipwx  
       2016-11-20 19:43:43 +08:00
    sensui7
        14
    sensui7  
       2016-11-20 19:51:19 +08:00
    @v9ox 他这 500 个数字完全无规律的, 结果可能是一个数字, 也可能是 300 个数字, 复杂度应该是 500!
    faketemp
        15
    faketemp  
    OP
       2016-11-20 21:36:21 +08:00
    @sensui7 没错,合适的组合可能是一个数值,也可能是 487 或 35 个数值之和——因为数组 numarray 是用户输入的,无法确定个数和规律

    K sum 问题中 K 是确定的,我们的需求中 K 并不确定 这是不是最终又回到了“穷举组合”这条路?
    不过 01 背包和 K sum(closest)算法与我们需求近似,需要再仔细研究开开脑洞\(^o^)/~
    htfy96
        16
    htfy96  
       2016-11-20 22:00:06 +08:00
    如果不一定要最优解的话,可以尝试下遗传算法
    faketemp
        17
    faketemp  
    OP
       2016-11-21 07:42:32 +08:00
    @starqoq 如果如 @publicID002 所说将数组值全部乘 100 变成 int 型,然后按 01 背包来做 复杂度是否能够接受?

    @v9ox 由于 K sum 中的 K 值无法确定,理论上的解法是不是应该以次进行 2 sum(closest)/3 sum(closest)/4 sum(closest)…… len(numArray) sum(closest),最终才能得到最优组合的答案??


    有没有更高效或巧妙的解法呢?
    v9ox
        18
    v9ox  
       2016-11-21 09:19:47 +08:00
    @faketemp 我觉得对于 k sum (closest), stephan 那群人讨论了半天, 得到的最优就是 N^(k-1), 那么对于 k 不确定, 只能一个一个加了. 不过即使是这样, 复杂度依旧是 N^(k-1), 低次项不用考虑嘛.
    srlp
        19
    srlp  
       2016-11-21 12:59:31 +08:00 via iPhone
    @v9ox

    k 的可能性是 1 到 n ,所以穷举 k sum 的 k 的话,实际上是 O(n^n) 或者 O(n!),实际上和穷举所有组合的复杂度等价。
    v9ox
        20
    v9ox  
       2016-11-21 13:37:45 +08:00
    O(N^1 + N^2 + N^3 + ... + N^k) = O(N^K)
    为啥会是 O(n^n) 或者 O(n!)啊?
    faketemp
        21
    faketemp  
    OP
       2016-11-22 16:40:07 +08:00 via iPhone
    @v9ox 看来只有穷举 k 值然后分别计算更新 k sum(closest) 了 不知道这个复杂度是否可行 研究研究先
    faketemp
        22
    faketemp  
    OP
       2016-11-24 20:02:19 +08:00
    @v9ox @srlp @SingingZhou @starqoq ……
    经过研究, 穷举 k 值来计算 k sum(closest) 的方法不可行(>﹏<)
    搜索了很多解法发现最多提到 4 sum ,而且没有一个通用的穷举计算 k sum 的解法
    k 每增加一就要增加一层循环 无法想象如果 k=300 时……

    所谓“以空间换时间”的解法也不可取
    比如仅仅 500 个数取 4 个的组合最少都有几亿种,更别提要穷举任意个数的组合了—— 32G 内存估计也耗尽

    目前这个问题基本无解(;′⌒`)

    感谢大家的想法和讨论
    希望若干年后某神人能关注到这个问题了……
    starqoq
        23
    starqoq  
       2016-11-24 20:58:11 +08:00
    如果你的确需要穷举所有组合的话,复杂度大约是 O(2^N),在 N = 20 的情况大约需要 1s 计算。
    背包问题能解是因为状态空间有限,只需要记录前 i 个物品能否组成 w 重量的组合就可以了。而重量都是整数,所有重量的可能性就是 0 到目标值。

    但小数就不一样了,状态空间是连续的,即使仅记录可达状态,状态的增长也会很快。所以就只能用近似的方法来减少状态空间。只能求得多项式复杂度下的近似解。

    你可以参考一下算法导论中的 动态规划问题 。

    在图灵机上,以后也没有解。
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