算法形式化方法在三类组合数学问题求解中的应用研究

作     者：游颖 

作者单位：江西师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨庆红

授予年度：2017年

学科分类：07[理学] 070104[理学-应用数学] 0701[理学-数学] 

主      题：形式化方法 递推技术 组合数学 算法设计 

摘      要：算法设计是计算机科学研究的重要领域之一。目前计算机科学处理的大部分数据都是离散的数据,而组合数学是研究离散数据的科学,因此研究以组合数学为基础的算法的可靠性、正确性和生产效率就成为算法设计领域中的关键问题。对于求解组合数学相关的问题,目前存在多种算法设计方法,形式化开发方法是其中之一。形式化方法的本质是基于数学的方法来描述、开发和验证目标软件系统的一种技术,使用形式化方法开发算法程序能有效提高算法程序设计的规范化、自动化程度以及算法的可靠性和正确性。基于递推技术的算法形式化方法在部分形式化或者是完全形式化描述问题程序规约的基础上,通过对问题的程序规约进行数学变换,得到问题求解的递推关系,在此基础上得到最终的算法程序。由于求解问题的递推关系建立在严格数学变换的基础上,因而递推关系的正确性得到了保证,从而也有效确保最终的算法程序的正确性;另外,使用该方法开发算法程序,均是以寻找问题求解序列的递推关系为出发点,先得到较小的子问题的解,再在之前已获得的较小子问题解的基础上直接或间接得到较大问题的解,这样可以避免很多不必要的重复计算,从而有效提高算法程序的效率,并为算法程序的开发提供一条较为统一的途径。本文重点研究了基于递推关系的算法形式化方法在三类典型组合数学问题求解中的应用。本文分析了当前形式化开发方法的需求以及发展状况;介绍了基于递推技术的形式化开发方法的开发语言、开发步骤以及关键技术等,同时研究了它在组合数学问题开发上的有效性;接着,本文针对组合数学问题进行分类研究,使用基于递推技术的形式化方法开发了三类有代表性的组合数学问题:整除问题、排列组合问题以及NP完全问题中的0-1背包变形问题,同时在分析每一类问题形式化开发过程共性的基础上提炼得到了求解该类问题的统一策略,并将其推广到相似问题的求解;最后对基于递推关系的形式化开发方法在组合数学上的应用进行了总结。研究表明,基于递推技术的算法形式化开发方法有效保证了算法程序的正确性,提高了算法程序的执行效率。