有效地找到将较小分档分配给较大分档的每种组合

时间：2015-08-27 23:57:47

标签： javascript algorithm math graph-theory mathematical-optimization

我们说我有7个小垃圾箱，每个垃圾箱里面都有以下数量的弹珠：

var smallBins = [1, 5, 10, 20, 30, 4, 10];

我将这些小容器分配给2个大容器，每个容器具有以下最大容量：

var largeBins = [40, 50];

我想找到各种小容器如何在不超出容量的情况下分布在大容器上的组合（例如将小容器＃4，＃5放在大容器＃2中，其余放在＃1中）。

约束：

  • 每个小垃圾箱必须分配到一个大垃圾箱。
  • 大型垃圾箱可以留空

这个问题很容易在 O（n ^ m） O（2 ^ n）时间内解决（见下文）：只需尝试每个组合，如果不超过容量，请保存解决方案。我想要更快的东西，可以处理可变数量的垃圾箱。我可以用什么模糊的图论算法来减少搜索空间？

//Brute force
var smallBins = [1, 5, 10, 20, 30, 4, 10];
var largeBins = [40, 50];

function getLegitCombos(smallBins, largeBins) {
  var legitCombos = [];
  var assignmentArr = new Uint32Array(smallBins.length);
  var i = smallBins.length-1;
  while (true) {
    var isValid = validate(assignmentArr, smallBins, largeBins);
    if (isValid) legitCombos.push(new Uint32Array(assignmentArr));
    var allDone = increment(assignmentArr, largeBins.length,i);
    if (allDone === true) break;
  }
  return legitCombos;
}

function increment(assignmentArr, max, i) {
  while (i >= 0) {
    if (++assignmentArr[i] >= max) {
      assignmentArr[i] = 0;
      i--;
    } else {
      return i;
    }
  }
  return true;
}

function validate(assignmentArr, smallBins, largeBins) {
  var totals = new Uint32Array(largeBins.length);
  for (var i = 0; i < smallBins.length; i++) {
    var assignedBin = assignmentArr[i];
    totals[assignedBin] += smallBins[i];
    if (totals[assignedBin] > largeBins[assignedBin]) {
      return false;
    }
  }
  return true;
}
getLegitCombos(smallBins, largeBins);

2 个答案:

答案 0 :(得分：2)

经常看到这个问题，大多数约束逻辑编程系统都包含一个谓词来明确地对其进行建模。在OPTMODEL和CLP中，我们称之为pack：

proc optmodel;
    set SMALL init 1 .. 7, LARGE init 1 .. 2;
    num size    {SMALL} init [1 5 10 20 30 4 10];
    num capacity{LARGE} init [40 50];

    var WhichBin {i in SMALL} integer >= 1 <= card(LARGE);
    var SpaceUsed{i in LARGE} integer >= 0 <= capacity[i];

    con pack( WhichBin, size, SpaceUsed );

    solve with clp / findall;

    num soli;
    set IN{li in LARGE} = {si in SMALL: WhichBin[si].sol[soli] = li}; 
    do soli = 1 .. _nsol_;
        put IN[*]=;
    end;
quit;

此代码在我的笔记本电脑上以0.06秒的速度生成所有解决方案：

IN[1]={1,2,3,4,6} IN[2]={5,7}
IN[1]={1,2,3,4} IN[2]={5,6,7}
IN[1]={1,2,3,6,7} IN[2]={4,5}
IN[1]={1,2,5,6} IN[2]={3,4,7}
IN[1]={1,2,5} IN[2]={3,4,6,7}
IN[1]={1,2,4,6,7} IN[2]={3,5}
IN[1]={1,2,4,7} IN[2]={3,5,6}
IN[1]={1,2,4,6} IN[2]={3,5,7}
IN[1]={1,3,4,6} IN[2]={2,5,7}
IN[1]={1,3,4} IN[2]={2,5,6,7}
IN[1]={1,5,6} IN[2]={2,3,4,7}
IN[1]={1,5} IN[2]={2,3,4,6,7}
IN[1]={1,4,6,7} IN[2]={2,3,5}
IN[1]={1,4,7} IN[2]={2,3,5,6}
IN[1]={2,3,4,6} IN[2]={1,5,7}
IN[1]={2,3,4} IN[2]={1,5,6,7}
IN[1]={2,5,6} IN[2]={1,3,4,7}
IN[1]={2,5} IN[2]={1,3,4,6,7}
IN[1]={2,4,6,7} IN[2]={1,3,5}
IN[1]={2,4,7} IN[2]={1,3,5,6}
IN[1]={3,5} IN[2]={1,2,4,6,7}
IN[1]={3,4,7} IN[2]={1,2,5,6}
IN[1]={3,4,6} IN[2]={1,2,5,7}
IN[1]={3,4} IN[2]={1,2,5,6,7}
IN[1]={5,7} IN[2]={1,2,3,4,6}
IN[1]={5,6} IN[2]={1,2,3,4,7}
IN[1]={5} IN[2]={1,2,3,4,6,7}
IN[1]={4,6,7} IN[2]={1,2,3,5}
IN[1]={4,7} IN[2]={1,2,3,5,6}

只需更改前3行即可解决其他实例问题。但是，正如其他人所指出的，这个问题是NP-Hard。所以它可以突然从非常快到非常慢。您还可以通过创建一个具有足够容量以适合整个小项目集合的虚拟大容器来解决不需要将每个小项目分配到大容器的版本。

从手册中的“详细信息”部分可以看出，快速解决实际问题的算法并不简单，其实现细节也有很大差异。我不知道用Javascript编写的任何CLP库。您最好的选择可能是将CLP包装在Web服务中并从您的Javascript代码中调用该服务。

答案 1 :(得分：2)

这是我繁琐的递归尝试，以避免重复并从太大的数额提前退出。该函数假设重复元素以及bin大小在输入中分组和计数。不是将每个元素放在每个元素中，而是将每个元素放在一个重复的区域中;并且每个具有重复项的元素都是明确分区的。

例如，在我的搜索结果中，组合[[[1,10,20]],[[4,5,10,30]]]出现一次;而在Leo答案的SAS示例中，两次：一次为IN[1]={1,3,4} IN[2]={2,5,6,7}，另一次为IN[1]={1,4,7} IN[2]={2,3,5,6}。

不能保证效率或平稳运行，因为它几乎没有经过测试。也许堆叠呼叫而不是递归可能会在浏览器上变得更轻。

JavaScript代码：

function f (as,bs){

  // i is the current element index, c its count; 
  // l is the lower-bound index of partitioned element
  function _f(i,c,l,sums,res){

    for (var j=l; j<sums.length; j++){
      // find next available duplicate bin to place the element in
      var k=0;
      while (sums[j][k] + as[i][0] > bs[j][0]){
        k++;
      }

      // a place for the element was found          
      if (sums[j][k] !== undefined){
        var temp = JSON.stringify(sums),
            _sums = JSON.parse(temp);
        _sums[j][k] += as[i][0];

        temp = JSON.stringify(res);           
        var _res = JSON.parse(temp);

        _res[j][k].push(as[i][0]);

        // all elements were placed
        if (i == as.length - 1 && c == 1){
          result.push(_res);
          return;

        // duplicate elements were partitioned, continue to next element
        } else if (c == 1){
          _f(i + 1,as[i + 1][1],0,_sums,_res);

        // otherwise, continue partitioning the same element with duplicates
        } else {
          _f(i,c - 1,j,_sums,_res);
        }
      }
    }
  }

  // initiate variables for the recursion 
  var sums = [],
      res = []
      result = [];

  for (var i=0; i<bs.length; i++){
    sums[i] = [];
    res[i] = [];
    for (var j=0; j<bs[i][1]; j++){
      sums[i][j] = 0;
      res[i][j] = [];
    }  
  }

  _f(0,as[0][1],0,sums,res);
  return result;
}

输出：

console.log(JSON.stringify(f([[1,1],[4,1],[5,1],[10,2],[20,1],[30,1]], [[40,1],[50,1]])));

/*
[[[[1,4,5,10,10]],[[20,30]]],[[[1,4,5,10,20]],[[10,30]]],[[[1,4,5,20]],[[10,10,30]]]
,[[[1,4,5,30]],[[10,10,20]]],[[[1,4,10,20]],[[5,10,30]]],[[[1,4,30]],[[5,10,10,20]]]
,[[[1,5,10,20]],[[4,10,30]]],[[[1,5,30]],[[4,10,10,20]]],[[[1,10,20]],[[4,5,10,30]]]
,[[[1,30]],[[4,5,10,10,20]]],[[[4,5,10,20]],[[1,10,30]]],[[[4,5,30]],[[1,10,10,20]]]
,[[[4,10,20]],[[1,5,10,30]]],[[[4,30]],[[1,5,10,10,20]]],[[[5,10,20]],[[1,4,10,30]]]
,[[[5,30]],[[1,4,10,10,20]]],[[[10,10,20]],[[1,4,5,30]]],[[[10,20]],[[1,4,5,10,30]]]
,[[[10,30]],[[1,4,5,10,20]]],[[[30]],[[1,4,5,10,10,20]]]]
*/

console.log(JSON.stringify(f([[1,1],[4,1],[5,1],[10,2],[20,1],[30,1]], [[20,2],[50,1]])));

/*
[[[[1,4,5,10],[10]],[[20,30]]],[[[1,4,5,10],[20]],[[10,30]]],[[[1,4,5],[20]],[[10,10,30]]]
,[[[1,4,10],[20]],[[5,10,30]]],[[[1,5,10],[20]],[[4,10,30]]],[[[1,10],[20]],[[4,5,10,30]]]
,[[[4,5,10],[20]],[[1,10,30]]],[[[4,10],[20]],[[1,5,10,30]]],[[[5,10],[20]],[[1,4,10,30]]]
,[[[10,10],[20]],[[1,4,5,30]]],[[[10],[20]],[[1,4,5,10,30]]]]
*/

这是第二个更简单的版本，它只在无法放置元素时尝试终止线程：

function f (as,bs){

  var stack = [],
      sums = [],
      res = []
      result = [];

  for (var i=0; i<bs.length; i++){
    res[i] = [];
    sums[i] = 0;
  }

  stack.push([0,sums,res]);

  while (stack[0] !== undefined){
    var params = stack.pop(),
        i = params[0],
        sums = params[1],
        res = params[2];

    for (var j=0; j<sums.length; j++){
      if (sums[j] + as[i] <= bs[j]){
        var _sums = sums.slice();
        _sums[j] += as[i];

        var temp = JSON.stringify(res);
        var _res = JSON.parse(temp);

        _res[j].push(i);

        if (i == as.length - 1){
          result.push(_res);

        } else {
          stack.push([i + 1,_sums,_res]);
        }
      }
    }
  }

  return result;
}

输出：

var r = f([1,5,10,20,30,4,10,3,4,5,1,1,2],[40,50,30]);
console.log(r.length)

console.log(JSON.stringify(f([1,4,5,10,10,20,30], [40,50])));

162137 

[[[30],[1,4,5,10,10,20]],[[10,30],[1,4,5,10,20]],[[10,20],[1,4,5,10,30]]
,[[10,30],[1,4,5,10,20]],[[10,20],[1,4,5,10,30]],[[10,10,20],[1,4,5,30]]
,[[5,30],[1,4,10,10,20]],[[5,10,20],[1,4,10,30]],[[5,10,20],[1,4,10,30]]
,[[4,30],[1,5,10,10,20]],[[4,10,20],[1,5,10,30]],[[4,10,20],[1,5,10,30]]
,[[4,5,30],[1,10,10,20]],[[4,5,10,20],[1,10,30]],[[4,5,10,20],[1,10,30]]
,[[1,30],[4,5,10,10,20]],[[1,10,20],[4,5,10,30]],[[1,10,20],[4,5,10,30]]
,[[1,5,30],[4,10,10,20]],[[1,5,10,20],[4,10,30]],[[1,5,10,20],[4,10,30]]
,[[1,4,30],[5,10,10,20]],[[1,4,10,20],[5,10,30]],[[1,4,10,20],[5,10,30]]
,[[1,4,5,30],[10,10,20]],[[1,4,5,20],[10,10,30]],[[1,4,5,10,20],[10,30]]
,[[1,4,5,10,20],[10,30]],[[1,4,5,10,10],[20,30]]]
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