分治算法详解_算法的优劣通常用什么来衡量

分治算法详解_算法的优劣通常用什么来衡量分治算法详解 一、基本概念  在计算机科学中,分治法是一种很重要的算法。字面上的解释是“分而治之”,就是把一个复杂的问题分成两个或更多的相同或相似的子问题,再把子问题分成更小的子问题……直到最后子问题可以简单的直接求解,原问题的解即子问题的解的合并。这个技巧是很多高效算法的基础,如排序算法(快速排序,归并排序),傅立叶变换(快速傅立叶变换)……   任何一个可以用计算机求解的问

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                                                  分治算法详解

 

一、基本概念

   在计算机科学中,分治法是一种很重要的算法。字面上的解释是“分而治之”,就是把一个复杂的问题分成两个或更多的相同或相似的子问题,再把子问题分成更小的子问题……直到最后子问题可以简单的直接求解,原问题的解即子问题的解的合并。这个技巧是很多高效算法的基础,如排序算法(快速排序,归并排序),傅立叶变换(快速傅立叶变换)……

    任何一个可以用计算机求解的问题所需的计算时间都与其规模有关。问题的规模越小,越容易直接求解,解题所需的计算时间也越少。例如,对于n个元素的排序问题,当n=1时,不需任何计算。n=2时,只要作一次比较即可排好序。n=3时只要作3次比较即可,…。而当n较大时,问题就不那么容易处理了。要想直接解决一个规模较大的问题,有时是相当困难的.

 

 


二、基本思想及策略

 

   分治法的设计思想是:将一个难以直接解决的大问题,分割成一些规模较小的相同问题,以便各个击破,分而治之

   分治策略是:对于一个规模为n的问题,若该问题可以容易地解决(比如说规模n较小)则直接解决,否则将其分解为k个规模较小的子问题,这些子问题互相独立且与原问题形式相同,递归地解这些子问题,然后将各子问题的解合并得到原问题的解。这种算法设计策略叫做分治法。

   如果原问题可分割成k个子问题,1<k≤n,且这些子问题都可解并可利用这些子问题的解求出原问题的解,那么这种分治法就是可行的。由分治法产生的子问题往往是原问题的较小模式,这就为使用递归技术提供了方便。在这种情况下,反复应用分治手段,可以使子问题与原问题类型一致而其规模却不断缩小,最终使子问题缩小到很容易直接求出其解。这自然导致递归过程的产生。分治与递归像一对孪生兄弟,经常同时应用在算法设计之中,并由此产生许多高效算法。

 


三、分治法适用的情况

    分治法所能解决的问题一般具有以下几个特征:

    1) 该问题的规模缩小到一定的程度就可以容易地解决

    2) 该问题可以分解为若干个规模较小的相同问题,即该问题具有最优子结构性质

    3) 利用该问题分解出的子问题的解可以合并为该问题的解;

    4) 该问题所分解出的各个子问题是相互独立的,即子问题之间不包含公共的子子问题

第一条特征是绝大多数问题都可以满足的,因为问题的计算复杂性一般是随着问题规模的增加而增加;

第二条特征是应用分治法的前提它也是大多数问题可以满足的,此特征反映了递归思想的应用;、

第三条特征是关键,能否利用分治法完全取决于问题是否具有第三条特征,如果具备了第一条和第二条特征,而不具备第三条特征,则可以考虑用贪心法或动态规划法

第四条特征涉及到分治法的效率,如果各子问题是不独立的则分治法要做许多不必要的工作,重复地解公共的子问题,此时虽然可用分治法,但一般用动态规划法较好

 

 


四、分治法的基本步骤

分治法在每一层递归上都有三个步骤:

    step1 分解:将原问题分解为若干个规模较小,相互独立,与原问题形式相同的子问题;

    step2 解决:若子问题规模较小而容易被解决则直接解,否则递归地解各个子问题

    step3 合并:将各个子问题的解合并为原问题的解。

它的一般的算法设计模式如下:

    Divide-and-Conquer(P)

    1. if |P|≤n0

    2. then return(ADHOC(P))

    3. 将P分解为较小的子问题 P1 ,P2 ,…,Pk

    4. for i←1 to k

    5. do yi ← Divide-and-Conquer(Pi) △ 递归解决Pi

    6. T ← MERGE(y1,y2,…,yk) △ 合并子问题

    7. return(T)

    其中|P|表示问题P的规模;n0为一阈值,表示当问题P的规模不超过n0时,问题已容易直接解出,不必再继续分解。ADHOC(P)是该分治法中的基本子算法,用于直接解小规模的问题P。因此,当P的规模不超过n0时直接用算法ADHOC(P)求解。算法MERGE(y1,y2,…,yk)是该分治法中的合并子算法,用于将P的子问题P1 ,P2 ,…,Pk的相应的解y1,y2,…,yk合并为P的解。

 


五、分治法的复杂性分析

    一个分治法将规模为n的问题分成k个规模为n/m的子问题去解。设分解阀值n0=1,且adhoc解规模为1的问题耗费1个单位时间。再设将原问题分解为k个子问题以及用merge将k个子问题的解合并为原问题的解需用f(n)个单位时间。用T(n)表示该分治法解规模为|P|=n的问题所需的计算时间,则有:

 T(n)= k T(n/m)+f(n)

    通过迭代法求得方程的解:

    递归方程及其解只给出n等于m的方幂时T(n)的值,但是如果认为T(n)足够平滑,那么由n等于m的方幂时T(n)的值可以估计T(n)的增长速度。通常假定T(n)是单调上升的,从而当                  mi≤n<mi+1时,T(mi)≤T(n)<T(mi+1)。 

 


六、可使用分治法求解的一些经典问题

 (1)二分搜索
(2)大整数乘法
 (3)Strassen矩阵乘法
(4)棋盘覆盖
(5)合并排序
(6)快速排序
(7)线性时间选择

(8)最接近点对问题
(9)循环赛日程表

(10)汉诺塔
 


七、依据分治法设计程序时的思维过程

    实际上就是类似于数学归纳法,找到解决本问题的求解方程公式,然后根据方程公式设计递归程序。
1、一定是先找到最小问题规模时的求解方法
2、然后考虑随着问题规模增大时的求解方法
3、找到求解的递归函数式后(各种规模或因子),设计递归程序即可。
 
 
八、下面我对分治法的一些程序适当的演示!
 
1:对于大数问题的思考(1)
 
 
下面采用分治法的逻辑看看是否可行,在这里我们举例 3的2000次方,由于整形最多20亿,毋庸置疑这里已经超过了界限!为了方便说明是否可以分治 以及如何分治,请看这样一个算式:
 
 
123 345 678 * 3 = 370 037 034      
在这里我们可以这样写:
 
123 * 3 = 369     
345 * 3 = 1035      
678 * 3 = 2034          组合在一起是    
369 1035 2034。
 
看到这个结果,与原结果相比较,你发现了什么?其实早就在古代我们的老祖宗就发明了算盘的这个计算工具,回想一下他的计算方式,逢10进1,也就是我们通常所说的10进制表示法!
在这里,我们可以想得到 1000进制吧,也就是逢1000往上位进1,那么每个位上最大的也只能是999,而没有1000了。 利用这个思想,我们来看看上面的算式!
 
                                              369                                  1035                               2034
                                              369+1                                035+2                             034
                                       
(加1,得370)                       (进1,保留037)               (进2,保留034)
                                  
                                      那么最后的结果也就是 370 037 034 发现结果刚好一样,这就是我们所谓的1000进表示法
 
 
 
值得说明一下:为何1000进制表示出来的数和10进制表示出来的数是一样的,其实不仅如此,100进制  1000进制 乃至10000进制,表示的最后结果都是一样的,不知道你发现了没?
 举个例子:10进制的199,用100进制表示也是1 99,10进制的1099 用1000进制表示也是 1 099(注意这个0不能略去)以此类推!
 
 
好了,回到正题,上面那个算式通过拆分为3个数的思想,这就体现了分治法的思想,
   首先他满足第一条件:分解到一定小规模的时候可以解决
                     第二条件:每个小规模都具有最佳子结构(在变量范围内,可以用来表示)
                     第三条件:每个小问题可以通过合并在一起形成大问题的解
                     第四条件:每个小问题相互独立
 
 这几点他都满足了,当然可以利用分治思想了!接下来看我们的题目 3的2000次方,在这里我们采用10000进制数组表示法!!该函数源码如下:
 
void RandomBigNumFun(int low,int high)                 //传递参数为底数和指数
{

	unsigned int temp[1024] = {0};                     //初始化一个数组,用来存放10000进制的数据
	temp [0] = low;                                    //初始化第一个元素为需要的值!
	int flag = -1;                                     //标记变量,用来指示是否需要往上一位进位,同事保存进多少
	unsigned int m_count = 1;                          //技术变量,计算数组中被占用了多少个元素
	int _index,index;                                  //两个循环变量

	for(_index = 0;_index <high-1; ++_index)           //循环high-1次 因为本身temp[0]= low,
	{
		for(index = 0; index < m_count ; ++index)      //循环m_count次,其实原本可以把整个数组循环完
		{                                              //只不过耗时了,因为实际有值的地方只有m_count个
			temp[ index ] *= low;                      

			if(flag != -1)                             //检测下一位是否溢出,需要向自己进位 
			{
				temp[index] += flag;
				flag = -1;                             //进位之后别忘记把标记在设置为-1
			}

			if(temp[index] > 9999)                     //判断是否需要向上一位进位
			{
				flag = temp[index]/10000 ;
				temp[index] %= 10000;
			}
		}

		if(flag != -1)                                 
		{
			temp[index] += flag;
			++m_count;
			flag = -1;
		}

		if(m_count > 1023)
		{
			printf("数据过大而数组过小,请重置存放数组的大小");
			exit(0);
		}
	}

	for(index = m_count-1;index >=0;--index)        //这里值得说明,如果该位上是1,则要输出0001,因为是一万进制
	{
		if(temp[index] < 10)
			cout<<"000"<<temp[index];
		else if(temp[index] < 100)
			cout<<"00"<<temp[index];
		else if(temp[index] < 1000)
			cout<<"0"<<temp[index];
		else
			cout<<temp[index];
	}

} 

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其实上述函数需要传递参数进去,这里就传3和2000进去,运行结果如下(大得难以想象):
分治算法详解_算法的优劣通常用什么来衡量
 
如有不懂的地方,欢迎在我的博客留言!!
 
 
对于大数问题的思考(2):
 
上述所讲是大数的乘方形式出现,接下来演示大数相乘的计算方法,例如:27392361983108271361039746313 乘以 37261038163103818366341087632113
呵呵,当然在这里我不会写这么大一个数组,我只会举一个简单的例子  如 234 * 456 = ????
 
有人可能会问:博主,这样的直接计算就可以算出来,还需要分治吗? 在这里我主要讲一种通用的算法思想,那么无论遇见多大的数字,都可以这样来写!
 
算法前的分析:在这里我们若把456拆分为4,5,6,然后分别去乘以234,结果是什么样勒?答案如下:
 
                                        234
                                x      456
                          ____________________
                                      1404
                                    1170
                                    936 
                            ————————————
                                      106704
 
这样的结构大家都清楚,可是我们需要怎么用程序来保留这个结果勒,不妨设一个二维数组来保存结果,数组的第一行保留1404,第二行保留1170,第三行保留936,
由于不能直接存储,我们需要对存放的位置做一下计算:数组该有多少行,该有多少列?
在这里我们需要知道,两个三位数的乘积,结果最多为6位数,一个2位一个6位相乘,结果最多为2+6=8位,所以这里数组该有6列,而对于行数,则由被乘数决定,所以这里为3行!!、
 temp [3] [6]  =  {
                             0  0  1  4  0  4
                             0  1  1  7  0  0
                             0  9  3  6  0  0
                         }
每列依次往下加 1 0  6 7  0  4;所得刚好为我们要的答案,好了,废话不多说,这里直接看代码!!
#include <iostream>
using namespace std;

inline int Translate(char str)
{
	return (str - 48);
}

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	char NumStr1 [3] = {'2','3','4'};
	char NumStr2 [3] = {'4','5','6'};
	int temp[3][6] = {0};
	signed int flag = -1;

	int Temp_x = 0;
	int Temp_y ;

	int _index,index;

	for(_index = 2;_index >= 0 ;--_index)                 //这里的两重循环是分别赋值到二维数组里面
	{
		Temp_y = 5 - Temp_x;

		for(index = 2;index >= 0;--index,--Temp_y)
		{
			temp[Temp_x][Temp_y] = Translate(NumStr2[_index]) * Translate(NumStr1[index]);

			if(flag != -1)
			{
				temp[Temp_x][Temp_y] += flag;
				flag = -1;
			}

			if(temp[Temp_x][Temp_y] >= 10)
			{
				flag = temp[Temp_x][Temp_y]/10;
				temp[Temp_x][Temp_y] %= 10;
			}
		}

		if(flag != -1)
		{
			temp[Temp_x][Temp_y] += flag;
			flag = -1;
		}
		++ Temp_x;
	}


	int temp_sum[6]={0};                   
	flag = -1;

	for(int j=5;j >= 0;-- j)                      //接下来这个循环是加每一列的数组到最后的结果数组里面
	{
		for(int i=2;i>=0;--i)
			temp_sum[j] += temp[i][j];
		if(flag != -1)
		{
			temp_sum[j] += flag;
			flag = -1;
		}

		if( temp_sum[j] >= 10)
		{
			flag = temp_sum[j] /10;
			temp_sum[j]  %=  10;
		}
	}

	flag = -1;

	for(int i = 0;i !=6;++ i)                       //这里是输出结果
		
			cout<<temp_sum[i];
	cout<<endl;
	system("pause");
	return 0;
}

 

运行结果如下所示:


分治算法详解_算法的优劣通常用什么来衡量

 
所得结果跟我们预想的一样 ,但是这个程序有个小bug,因为两个三位数相乘,不一定是6位数,也许是5位数,所以输出的时候记得判断下第一个是否为0!
看到这里,读者可以自己改编以上程序为一个函数,求任意两个数字的乘积,只是那样的话需要动态创建数组了!
 
2:递归与分治的结合(汉诺塔问题)
关于递归,他也可看做是属于分治思想的一种体现,递归问题到处可见,可他始终是一个重难点,在这里我主要说一下递归中的汉诺塔这个经典的问题!
 
至于什么是汉诺塔,如果有不知道的可以百度,在这里我不累述,直接在程序中说明:
 
#include <stdio.h>#include <stdlib.h>static int count = -1;void move(char x,char y);                             // 对move函数的声明 void hanoi(int n,char one,char two,char three)       ;// 对hanoi函数的声明\int main(){          	int m;	printf("请输入一共有多少个板子需要移动:");	scanf("%d",&m);	printf("以下是%d个板子的移动方案:\n",m);	hanoi(m,'A','B','C');	system("pause");	return 0;}void hanoi(int n,char one,char two,char three)        // 定义hanoi函数  // 将n个盘从one座借助two座,移到three座 {		if(n==1)		move(one,three);	else	{		hanoi(n-1,one,three,two);                   //首先把n-1个从one移动到two		move(one,three);                            //然后把最后一个n从one移动到three		hanoi(n-1,two,one,three);                   //最后再把n-1个从two移动到three	}}void move(char x,char y)                           //  定义move函数 {	count++;	if( !(count%5) )		printf("\n");	printf("%c移动至%c  ",x,y);}

 
如果输入5个板子,则移动的方案为:
 
 
 
 
 
分治算法详解_算法的优劣通常用什么来衡量
 
结果所示便为移动过程,至于内部是怎么实现的,读者可自己下来画出示意图,便一目了然!!
 
2:二分搜索法(二分查找) ,利用分治思想缩小范围!
 
二分法的思想说来比较简单,就是利用上下限不停的缩小查找的界限,当缩小到一定范围内的时候,就可以解决,这个算法也十分常见,在这里我不在累述了
 
 
 

#include <iostream>
using namespace  std;
int binary_sreach(int *array,int len,int elem);

int main(int argc, char* argv[])
{
	int a[7] = {1,2,3,6,8,9,99};
	cout<<binary_sreach(a,7,6);
	system("pause");
	return 0;
}

int binary_sreach(int *array,int len,int elem)
{
	int low = 0;
	int high = len - 1;
	int middle;
	while (low <= high)
	{
		middle = (low + high)/2;
		if(array[middle] == elem)
			return middle;

		else if(array[middle] > elem)
			high = middle;
		else
			low = middle;
	}

	return -1;
}

运行结果也可想而知是3,二分法其实也就这么简单,这里也明显利用了分治的思想!!

 
 
分治法是一个非常重要的算法思想,在各种程序设计大赛上经常采用分治思想解答,这里只是列举了一些经典问题的解法,具体问题还需要具体分析,以后我会持续更新,每次遇见就记录下来给大家分享!
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
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