WizenZhang
10/4/2018 - 1:49 PM

【回溯法】圆排列问题【5.10】

给定n个大小不等的圆c1,c2,…,cn，现要将这n个圆排进一个矩形框中，且要求各圆与矩形框的底边相切。圆排列问题要求从n个圆的所有排列中找出有最小长度的圆排列。 问题分析 圆排列问题的解空间是一棵排列树。按照回溯法搜索排列树的算法框架，设开始时a=[r1,r2,……rn]是所给的n个元的半径，则相应的排列树由a[1:n]的所有排列构成。 解圆排列问题的回溯算法中，CirclePerm(n,a)返回找到的最小的圆排列长度。初始时，数组a是输入的n个圆的半径，计算结束后返回相应于最优解的圆排列。center计算圆在当前圆排列中的横坐标，由x^2 = sqrt((r1+r2)2-(r1-r2)2)推导出x = 2sqrt(r1r2)。Compoute计算当前圆排列的长度。变量min记录当前最小圆排列长度。数组r表示当前圆排列。数组x则记录当前圆排列中各圆的圆心横坐标。 在递归算法Backtrack中，当i>n时，算法搜索至叶节点，得到新的圆排列方案。此时算法调用Compute计算当前圆排列的长度，适时更新当前最优值。 当i<n时，当前扩展节点位于排列树的i-1层。此时算法选择下一个要排列的圆，并计算相应的下界函数。

CirclePerm.cpp
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//圆排列问题 回溯法求解
#include "stdafx.h"
#include <iostream>
#include <cmath>
using namespace std;
 
float CirclePerm(int n,float *a);
 
template <class Type>
inline void Swap(Type &a, Type &b);
 
int main()
{
	float *a = new float[4];
	a[1] = 1,a[2] = 1,a[3] = 2;
	cout<<"圆排列中各圆的半径分别为："<<endl;
	for(int i=1; i<4; i++)
	{
		cout<<a[i]<<" ";
	}
	cout<<endl;
	cout<<"最小圆排列长度为：";
	cout<<CirclePerm(3,a)<<endl;
	return 0;
}
 
class Circle
{
	friend float CirclePerm(int,float *);
	private:
		float Center(int t);//计算当前所选择的圆在当前圆排列中圆心的横坐标
		void Compute();//计算当前圆排列的长度
		void Backtrack(int t);
 
		float min,	//当前最优值
			  *x,   //当前圆排列圆心横坐标
			  *r;   //当前圆排列
	    int n;      //圆排列中圆的个数
};
 
// 计算当前所选择圆的圆心横坐标
float Circle::Center(int t)
{
    float temp=0;
    for (int j=1;j<t;j++)
	{
		//由x^2 = sqrt((r1+r2)^2-(r1-r2)^2)推导而来
        float valuex=x[j]+2.0*sqrt(r[t]*r[j]);
        if (valuex>temp)
		{
			temp=valuex;
		}
    }
    return temp;
}
 
// 计算当前圆排列的长度
void Circle::Compute(void)
{
    float low=0,high=0;
    for (int i=1;i<=n;i++)
	{
        if (x[i]-r[i]<low)
		{
			low=x[i]-r[i];
		}
 
        if (x[i]+r[i]>high)
		{
			high=x[i]+r[i];
		}
    }
    if (high-low<min)
	{
		min=high-low;
	}
}
 
void Circle::Backtrack(int t)
{
    if (t>n)
	{
		Compute();
	}
    else
	{
		for (int j = t; j <= n; j++)
		{
			Swap(r[t], r[j]);
			float centerx=Center(t);
			if (centerx+r[t]+r[1]<min)//下界约束
			{
				x[t]=centerx;
				Backtrack(t+1);
			}
			Swap(r[t], r[j]);
		}
	}
}
 
float CirclePerm(int n,float *a)
{
	Circle X;
	X.n = n;
	X.r = a;
	X.min = 100000;
	float *x = new float[n+1];
	X.x = x;
	X.Backtrack(1);
	delete []x;
	return X.min;
}
 
template <class Type>
inline void Swap(Type &a, Type &b)
{  
	Type temp=a; 
	a=b; 
	b=temp;
}