集合的应用----集合覆盖分析

集合覆盖问题(SetCoveringProblem,简称SCP)是运筹学研究中典型的组合优化问题之一,工业领域里的许多实际问题都可建模为集合覆盖问题,如资源选择问题、设施选址问题(移动基站的选址、物流中心的选址)等。

问题: 给定一个集合S,集合P是由集合S的子集A1到An组成,集合C由集合P中的一个或者多个自己组成。如果S中的每个成员都包含在C的至少一个自己中车成为集合C覆盖S。此外,C包含的P的子集应该越少越好。

这里给出针对集合覆盖的算法的一种近似算法(当然不一定是最优解)。算法原理:从集合P中选择一个子集An(An是包含集合S元素最多的子集),然后P中选择一个自己Am(Am是包含An中未包含集合S中的元素中最多的子集)......依次类推,直到全部覆盖。

案例:求12种技能集合S = {a,b,c,d,e,f,g,h,i,j,k,l}的最佳覆盖集,考虑到现有7名待选选手集合P={A1,A2......A7}。P种选手的技能集合如下为:A1={a,b,c,d} ,A2={e,f,g,h,i},A3={j,k,l},A4={a,e},A5={b,f,g},A6={c,d,g,h,k,l},A7={l}.最佳覆盖集合应该为C={A1,A2,A3}。下面依照算法来推导:

1、选出覆盖集合S最多的一个子集:(成员个数最多)A6 ;差集 M={a,b,e,f,i,j};

2、从剩余集合中选出覆盖差集M最多的一个子集:A2;M 与 M与A2交集的差集 {a,b,j};

3、依次来推.....A1 {j};

4、..............A3;

这样得到的集合C = {A6,A2,A1,A3};

头文件:

/* cover.h */
#ifndef COVER_H
#define COVER_H

#include "set.h"

/* 通过KEY值为子集定义一个结构体*/
typedef struct KSet_ {
	int key;/*集合P中子集的下表*/
	Set set;/*集合*/
}Kset;
/*函数接口*/
int cover(Set *members,Set *subsets,Set *covering);

#endif

函数实现:

/*cover.c*/
#include <stdlib.h>
#include "../include/cover.h"
#include "../include/list.h"
#include "../include/set.h"


int cover(Set *members,Set *subsets,Set *covering)
{
	Set intersection;/*并集*/
	Kset *subset;/*子集*/
	ListElmt *member,
			 *max_member;
	void *data;
	int max_size = 0;
	/*初始化集合 cover */
	set_init(covering,subsets->match,NULL);

	/* 依次选出集合中覆盖最多元素的子集*/
    while (set_size(members) > 0 && set_size(subsets) > 0)
	{
		max_size = 0;
		
		for (member = list_head(subsets); member != NULL; member = list_next(members)){
			/*查找交集*/
			if (set_intersection(&intersection,&((KSert *)list_data(member)) -> set,members) != 0){
				return -1;
			}

			if (set_size(&intersection) > max_size){
				max_member = member;
				max_size = set_size(&intersection);
			}

			set_destroy(&intersection);
		}

		/*没有交集的情况*/
		if ( max_size == 0){
			return 1;
		}

		/*找到的子集,并插入的covering */
		subset = (KSet *)list_data(max_member);
        if (set_insert(covering,subset)!= 0){
			return -1;
		}

		/* 从members删除与子集中成员相同的元素*/
		for (member = list_head(&((KSet *)list_data(max_member)) -> set);member != NULL ; member = list_next(member)){
			data = list_data(member);
			if (set_remove(members,(void **)&data) ==0 && member->destroy != NULL){
				members -> destroy(data);
			}
		}

		/*将找到的子集从subsets中删除*/
		if (set_remove(subsets,(void **)&subset) != 0){
			return -1;
		}
	}
	/*如何循环完毕members中可能存在仍有未找到成员 */
	if (set_size(members) >0){
		return -1;
	}

}

函数实现中可能用来单链表中定义的函数接口;具体可以去专栏中的链表中去查看。

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