Алгоритм создания списка всех перестановок или размещений

в 8:06, , рубрики: Алгоритмы, комбинаторика, перестановки, Программирование

Сразу оговорюсь, эта статья тематически похожа на опубликованную около года назад автором SemenovVV «Нерекурсивный алгоритм генерации перестановок», но подход тут, на мой взгляд, принципиально иной.

Я столкнулся с необходимостью составления списка всех перестановок из n элементов. Для n = 4 или даже 5, задача решается вручную в считанные минуты, но для 6! = 720 и выше исписывать страницы мне уже было лень – нужна была автоматизация. Я был уверен, что этот «велосипед» уже изобретён многократно и в различных вариациях, но было интересно разобраться самостоятельно – поэтому, намеренно не заглядывая в профильную литературу, я засел за создание алгоритма.

Первую же версию кода с рекурсией я отбросил как слишком тривиальную и ресурсоёмкую. Далее, сделав «финт ушами», разработал не очень эффективный алгоритм, перебирающий заведомо большее количество вариантов и отсеивающий лишь подходящие из них. Он работал, но мне хотелось чего-то элегантного – и, начав с чистого листа, я принялся искать закономерности в лексикографическом порядке перестановок для малых значений n. В итоге получился аккуратный код, который с минимальной «обвязкой» можно на Python представить строк в 10 (см. ниже). Более того, этот подход работает не только для перестановок, но и для размещений n элементов по m позициям (в случае когда, nm).
Если взглянуть на перечень всех перестановок для 4 по 4, то заметна определённая структура:

Алгоритм создания списка всех перестановок или размещений - 1

Весь массив перестановок (4! = 24) можно разбить на группы из (n-1)! = 3! – шести перестановок, а каждую группу в свою очередь разбить на (n-1-1)! = 2! –две комбинации и так далее. В рассмотренном случае, когда для n = 4, на этом – всё.

Итак, с точки зрения лексикографии этот набор перестановок можно представить себе как возрастающий ряд: так сказать, 0123 < 0132 < … < 3210. Мы наперёд знаем, сколько раз подряд будет повторяться один и тот же элемент в определённой позиции – это количество перестановок для массива порядком на единицу меньше, т.е. (a-1)!, где а – размерность текущего массива. Тогда признаком перехода к следующему значению будет новый результат целочисленного деления («//») порядкового номера i комбинации на количество таких перестановок: i // (a-1)!. Также, чтобы определить, каким будет номер этого элемента в списке ещё не задействованных (дабы не перебирать его по кругу), используем остаток от деления («%») полученной величины на длину этого списка. Т.о. имеем следующую конструкцию:

i // (a-1)! % r,

где r – размерность массива ещё не задействованных элементов.

Для наглядности рассмотрим конкретный случай. Из всех 24 перестановок i Є [0, 23] 4 элементов по 4 положениям, к примеру, 17-я будет представлять собой следующую последовательность:

[17 // (4-1)!] % r(0,1,2,3) = 2 % 4 = 2

(т.е., если считать с 0, третий элемент списка, – «2»). Следующим элементом этой перестановки будет:

[17 // (3-1)!] % r(0,1,3) = 8 % 3 = 2

(снова третий элемент – теперь это «3»)

Если продолжать в том же духе, в итоге получим массив «2 3 1 0». Следовательно, перебирая в цикле все значения i из количества перестановок [n!] или размещений [n!/(n-m)!, где m – количество положений в массиве], мы получим исчерпывающий набор искомых сочетаний.

Собственно, сам код выглядит так:

import math
elm=4				# к-во элементов, n
cells=4				# к-во положений, m
res=[]				# результирующий список
arrang = math.factorial(elm)/math.factorial(elm-cells)	# расчёт к-ва сочетаний
for i in range(arrang):
    res.append([])
    source=range(elm)	# массив ещё не задействованных элементов
    for j in range(cells):
        p=i//math.factorial(cells-1-j)%len(source)
        res[len(res)-1].append(source[p])
        source.pop(p)

Автор: Trif

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля