组合算法的程序实现及分析比较

【问题】    组合问题
问题描述：找出从自然数1、2、... 、n中任取r个数的所有组合。例如n=5，r=3的所有组合为:

1,2,3
1,2,4
1,3,4
2,3,4
1,2,5
1,3,5
2,3,5
1,4,5
2,4,5
3,4,5

用程序实现有几种方法:
1)穷举法，程序如下
【程序】
#include<stdio.h>
const int n=5,r=3;
int  i,j,k,counts=0;

int main()
{
   for(i=1;i<=r ;i++)
      for(j=i+1;j<=r+1;j++)
          for( k=j+1;k<=r+2;k++){
             counts++;
             printf("%4d%4d%4d/n",i,j,k);
         }
 printf("%d",counts);
 return 0;
}
但是这个程序都有一个问题，当r变化时，循环重数改变，这就影响了这一问题的解，即没有一般性。

2)递归法
分析所列的10个组合，可以采用这样的递归思想来考虑求组合函数的算法。
设函数为void  comb(int m,int k)为找出从自然数1、2、... 、m中任取k个数的所有组
合。当组合的第一个数字选定时，其后的数字是从余下的m-1个数中取k-1数的组合。这
就将求m个数中取k个数的组合问题转化成求m-1个数中取k-1个数的组合问题。设函数引
入工作数组a[ ]存放求出的组合的数字，约定函数将确定的k个数字组合的第一个数字放
在a[k]中，当一个组合求出后，才将a[ ]中的一个组合输出。第一个数可以是m、m-1、
...、k，函数将确定组合的第一个数字放入数组后，有两种可能的选择，因还未去顶组
合的其余元素，继续递归去确定；或因已确定了组合的全部元素，输出这个组合。细节
见以下程序中的函数comb。
【程序】
#include <time.h>
#include <iostream>

using namespace std;

# define    MAXN    100
int a[MAXN];
int counts=0;

void printtime(void) //打印当前时间的函数
{
    char tmpbuf[128];
    time_t ltime;
    struct tm *today;

    time(&ltime);
    today = localtime(&ltime );
    strftime(tmpbuf,128,"%Y-%m-%d %H:%M:%S",today);
    cout<<tmpbuf<<endl;
}

void    comb(int m,int k)
{   int i,j;
    for (i=m;i>=k;i--)
    {   a[k]=i;
        if (k>1)
            comb(i-1,k-1);
        else
        {  
            counts++;
            /*
            for (j=a[0];j>0;j--)
                printf("%4d",a[j]);
            printf("/n");
            */
        }
    }
}

int main()
{  

    int m,r;
    cout<<"m"<<endl;
    cin>>m;
    cout<<"r"<<endl;
    cin>>r;
    counts=0;
    a[0]=r;
    printtime();
    comb(m,r);
    cout<<counts<<endl;
    printtime();
    return 0;
}

这是我在网上找到的程序，稍微修改了一下。程序写的很简洁，也具有通用性，解决了问题。

3)回溯法

采用回溯法找问题的解，将找到的组合以从小到大顺序存于a[0]，a[1]，…，a[r-1]
中，组合的元素满足以下性质：

（1）   a[i+1]>a[i]，后一个数字比前一个大；
（2）   a[i]-i<=n-r+1。
按回溯法的思想，找解过程可以叙述如下：
    首先放弃组合数个数为r的条件，候选组合从只有一个数字1开始。因该候选
解满足除问题规模之外的全部条件，扩大其规模，并使其满足上述条件（1），候选组合
改为1，2。继续这一过程，得到候选组合1，2，3。该候选解满足包括问题规模在内的全
部条件，因而是一个解。在该解的基础上，选下一个候选解，因a[2]上的3调整为4，以
及以后调整为5都满足问题的全部要求，得到解1，2，4和1，2，5。由于对5不能再作调
整，就要从a[2]回溯到a[1]，这时，a[1]=2，可以调整为3，并向前试探，得到解1，3，
4。重复上述向前试探和向后回溯，直至要从a[0]再回溯时，说明已经找完问题的全部
解。

在网上我始终没有找到可以正常执行的完整程序，所以我只好花了一天的时间来自己来写这个程序，并且改变输出从0开始而不是从1开始，这样做的目的是为了扩展程序的用途，适应c/c++语言的需要，这样输出就可以当作要选择的组合数组的地址序列，可以对长度为n任意类型数组找出r个组合。我对它进行了优化，如果你认为还有可以优化的地方，请不惜赐教,。^_^

#include <time.h>
#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;

# define    MAXN    100
int a[MAXN]; //定位数组,用于指示选取元素集合数组的位置，选取元素集合数组0 起始
void comb(int m,int r)
{  
    int cur;//指示定位数组中哪个成员正在移进

    unsigned int count=0;

    //初始化定位数组，0 起始的位置 ，开始的选择必是位置 0，1，2
    for(int i=0;i<r;i++)
        a[i]=i;

    cur=r-1;//当前是最后一个成员要移进

     do{
        if (a[cur]-cur<=m-r ){ 

            count++;
            /*
            for (int j=0;j<r;j++)
                cout<<setw(4)<<a[j];
            cout<<endl;
            */
            a[cur]++;
           
            continue;
        }
        else{
            if (cur==0){
                cout<<count<<endl;
                break;
            }

            a[--cur]++;
            for(int i=1;i<r-cur;i++){
                a[cur+i]=a[cur]+i;
            }

            if(a[cur]-cur<m-r)
                cur=r-1;               
        }
    }while (1);
}

void printtime(void) //打印当前时间的函数
{
    char tmpbuf[128];
    time_t ltime;
    struct tm *today;

    time(&ltime);
    today = localtime(&ltime );
    strftime(tmpbuf,128,"%Y-%m-%d %H:%M:%S",today);
    cout<<tmpbuf<<endl;
}

int main (int argc, char *argv[])
{

    int m,r;
    cout<<"m"<<endl;
    cin>>m;
    cout<<"r"<<endl;
    cin>>r;
    printtime();
    comb(m,r);   
    printtime();
    return(0);
}

同上面的递归的程序进行比较，同样用g++ o2优化。当n=40，r=11，屏蔽掉输出，得到的结果都是2311801440项，递归程序用了23至24秒，回溯用了19至20秒。