PHP中寻找目标数值的最优构成因子:从贪婪法到近似匹配排序

心靈之曲
发布: 2025-10-28 11:51:01
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PHP中寻找目标数值的最优构成因子:从贪婪法到近似匹配排序

本文探讨在给定一组特定数值中,如何找出构成目标数值的因子组合,或在无法精确构成时,找出近似度最高的单个因子及其倍数。文章首先分析了简单贪婪法的局限性,随后提出了一种优化方案,通过计算每个候选因子与目标值的匹配度(余数和倍数),并进行排序,以找到最优的近似匹配。

1. 问题背景与挑战

软件开发中,我们经常面临需要从预定义的一组离散数值中,找出若干个数值的组合,使其总和尽可能接近或等于一个目标值。例如,假设我们有一组固定的商品价格或尺寸(如700、800、900、950、1000、1100、1200、1300),现在需要为总金额3500找到一个由这些尺寸组成的方案(如1200、1200、1100)。如果无法精确构成,则需要找到一个最小余数的近似方案。

一个常见的直觉性方法是采用贪婪策略:总是优先使用当前最大的可用数值来填充目标金额。然而,这种方法往往无法得到全局最优解,尤其是在追求最小余数或特定组合时。

2. 贪婪法的局限性分析

让我们通过一个PHP代码示例来理解贪婪法的局限性。假设目标金额为 3000,可选因子数组 $sizes 包含降序排列的数值。

<?php
$amount = 3000; // 目标金额

// 可选的构成因子,通常贪婪法会从大到小处理
$sizes = array(1300, 1200, 1100, 1000, 950, 900, 800, 700);

$result = array(); // 存储分解结果

foreach ($sizes as $size) {
    // 计算当前size能包含多少次
    $count = floor($amount / $size);
    if ($count > 0) {
        $result[$size] = $count;
        $amount -= $count * $size; // 从总金额中减去已使用的部分
    }
}

echo '<pre>'; print_r($result); echo '</pre>';
?>
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对于 $amount = 3000,上述代码的输出将是:

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Array
(
    [1300] => 2
)
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分析:

  1. 程序首先处理 1300,3000 / 1300 取整为 2。
  2. $result 中记录 1300 * 2,剩余金额 $amount 变为 3000 - 2600 = 400。
  3. 接下来遍历 1200, 1100, ...,但由于剩余的 $amount (400) 小于所有后续的 size,因此无法再进行分配。

最终结果是 1300 * 2 = 2600,余数为 400。然而,我们很容易发现一个更优的方案:1000 * 3 = 3000,余数为 0。这清晰地表明,简单的贪婪法并不能保证找到最佳的构成方案,尤其是在追求最小余数时。它在每一步做出的局部最优选择,可能导致全局非最优的结果。

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3. 优化方案:单个因子近似匹配与排序

为了克服贪婪法的局限性,特别是当我们的目标是找到一个单个候选因子,通过倍数最接近目标值,且余数最小的方案时,可以采用以下策略:

  1. 独立评估每个候选因子: 对于 sizes 数组中的每一个 size,独立计算它能包含在目标金额 $amount 中多少次 (times),以及此时的余数 (remainder) 是多少。
  2. 构建详细结果集: 将每个 size 及其对应的 times 和 remainder 封装成一个结构(例如关联数组),并收集到 evaluated_results 数组中。
  3. 排序以找到最优解: 对 evaluated_results 数组进行排序。主要排序依据是 remainder(升序,即余数越小越好)。如果 remainder 相同,则可以根据 times 进行二次排序(例如,times 越少可能意味着更简洁的方案,或者根据具体业务需求决定升序或降序)。

下面是实现此优化方案的PHP代码:

<?php
$amount = 3000; // 目标金额
$sizes = [ 1300, 1200, 1100, 1000, 950, 900, 800, 700 ]; // 可选的构成因子

$evaluated_results = []; // 用于存储每个因子的评估结果

foreach ($sizes as $size) {
  // 计算当前size能包含在amount中的次数
  $times = (int)floor($amount / $size);
  // 计算此时的余数
  $remainder = $amount - $times * $size;

  // 将结果添加到数组中,包含因子值、使用次数和余数
  $evaluated_results[] = [
      'size' => $size,        // 当前因子值
      'times' => $times,      // 因子被使用的次数
      'remainder' => $remainder // 剩余的金额(余数)
  ];
}

// 使用 usort 对结果进行自定义排序
// 排序规则:首先按 'remainder' 升序排列(余数越小越好)
// 如果 'remainder' 相同,则按 'times' 升序排列(使用次数越少越好)
usort($evaluated_results, static function ($item1, $item2): int {
  $comparison = $item1['remainder'] <=> $item2['remainder']; // 比较余数
  // 如果余数相同,则进行二次比较:比较使用次数
  return $comparison === 0 ? $item1['times'] <=> $item2['times'] : $comparison;
});

echo '<pre>'; print_r($evaluated_results); echo '</pre>';
?>
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4. 结果分析与解读

运行上述优化后的代码,对于 $amount = 3000,输出结果如下:

Array
(
    [0] => Array
        (
            [size] => 1000
            [times] => 3
            [remainder] => 0   // 最优结果:余数为0,且使用次数为3
        )

    [1] => Array
        (
            [size] => 950
            [times] => 3
            [remainder] => 150   // 次优结果:余数150,使用次数3
        )

    [2] => Array
        (
            [size] => 700
            [times] => 4
            [remainder] => 200   // 余数200,使用次数4
        )

    [3] => Array
        (
            [size] => 900
            [times] => 3
            [remainder] => 300   // 余数300,使用次数3
        )

    [4] => Array
        (
            [size] => 1300
            [times] => 2
            [remainder] => 400   // 余数400,使用次数2
        )

    [5] => Array
        (
            [size] => 1200
            [times] => 2         // 余数600,使用次数2
            [remainder] => 600
        )

    [6] => Array
        (
            [size] => 800
            [times] => 3         // 余数600,使用次数3(与上一个余数相同,但使用次数更多,故排在后面)
            [remainder] => 600
        )

    [7] => Array
        (
            [size] => 1100
            [times] => 2
            [remainder] => 800   // 余数800,使用次数2
        )
)
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从排序后的结果可以看出:

  • 数组的第一个元素 [0] 提供了最优的匹配方案:使用 1000 这个因子 3 次,总和为 3000,余数为 0。这正是我们期望找到的完美匹配。
  • 后续的元素则按余数从小到大排列,提供了次优的近似匹配方案。例如,950 * 3 = 2850,余数 150。
  • 当余数相同时(如 1200 * 2 和 800 * 3 都产生 600 的余数),二次排序规则(这里是按 times 升序)决定了它们的相对位置。1200 * 2 (使用2次) 排在 `800 *

以上就是PHP中寻找目标数值的最优构成因子:从贪婪法到近似匹配排序的详细内容,更多请关注php中文网其它相关文章!

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