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分治法          【字体:
分治法
作者:网络    文章来源:网络    点击数:    更新时间:2005-7-30

分治法


一、算法思想

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。问题规模越小,解题所需的计算时间往往也越少,从而也越容易计算。想解决一个较大的问题,有时是相当困难的。分治法的思想就是,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。

分治的基本思想是将一个规模为n的问题分解为k个规模较小的子问题,这些子问题互相独立且与原问题相同。找出各部分的解,然后把各部分的解组合成整个问题的解。

  1. 解决算法实现的同时,需要估算算法实现所需时间。分治算法时间是这样确定的: 解决子问题所需的工作总量(由 子问题的个数、解决每个子问题的工作量 决定)
  2. 合并所有子问题所需的工作量
  3. 分治法是把任意大小问题尽可能地等分成两个子问题的递归算法

    分治的具体过程:
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    begin  {开始}
        if ①问题不可分 then ②返回问题解  
         else begin
             ③从原问题中划出含一半运算对象的子问题1;
             ④递归调用分治法过程,求出解1;
             ⑤从原问题中划出含另一半运算对象的子问题2;
             ⑥递归调用分治法过程,求出解2;
             ⑦将解1、解2组合成整修问题的解;  
           end;
       end; {结束}
    二、例题分析

    1、[金块问题]老板有一袋金块(共n块,n是2的幂(n>=2)),将有两名最优秀的雇员每人得到其中的一块,排名第一的得到最重的那块,排名第二的雇员得到袋子中最轻的金块。假设有一台比较重量的仪器,我们希望用最少的比较次数找出最重的金块。

    分析:问题可以简化为:在含n(n是2的幂(n>=2))个元素的集合中寻找极大元和极小元。

    明显的方法是逐个的进行比较查找。
    (一次冒泡排序)
    CODE:  [Copy to clipboard]
    m:=a[1];
    for i:=2 to n do
    if m < a[i] then m:=a[i];        (或者一次选择排序)
    p:=1;
    for i:=2 to n do
    if a[p]<a[i] then p:=i;
    m:=a[p];
    需要n-1次比较得到max,而再经过n-2次比较得到min,共进行2*n-3次比较可以找出极大元和极小元。

    用分治法可以较少比较次数地解决上述问题:
       如果集合中只有1个元素,则它既是最大值也是最小值;
       如果有2个元素,则一次maxnum(i,j) 一次minnum(i,j)就可以得到最大值和最小值;

    如果把集合分成两个子集合,递归的应用这个算法分别求出两个子集合的最大值和最小值,最后让子集合1的最大值跟子集合2的最大值比较得到整个集合的最大值;让子集合1的最小值跟子集合2的最小值比较得到整个集合的最小值。

    可得解题思想:
    CODE:  [Copy to clipboard]
    {maxmin}
     ①if 问题不可分:n=2
     ②问题的解求得(两个元素时):对两元素进行比较;return;
     ③for i:=1 to n div 2 do b[i]:=a[i]
     ④maxmin(n div 2,b,max1,min1),其中max1和min1为解1
     ⑤for i:=1 to n div 2 do b[i]:=a[i+ n div 2]
     ⑥maxmin(n div 2,b,max2,min2),其中max2和min2为解2
     ⑦max:=maxnum(max1,max2);
      min:=minnum(min1,min2);
    {maxmin}
    其中对函数maxnum的求精:
    function maxnum(a,b:integer):integer;
     begin
      if a>b then maxnum:=a else maxnum:=b;
     end;
    分析比较次数:
    比较运算均在函数maxnum和minnum中进行,
    当n=2时,比较次数T(n)=1
    当n>2时,比较次数T(n)=2T(n/2)+2
    ∵n是2的k次幂
    ∴设n=2^k
     
    2、快速排序

    快速排序是基于分治策略的一个排序算法。按照分治法的思想分析快速排序:

    1. 分解(Divide) 以元素a[p]为基准元素将a[p:q-1]划分为三段a[p:q-1],a[q]和a[q+1:r],使得a[p:q-1]中任何一个元素都小于a[q],a[q+1:r]中任何一个元素大于等于a[q],下标q在划分中确定。
    2. 递归求解(Conquer) 通过递归调用快速排序算法分别对a[p:q-1] 和a[q+1:r]进行排序。
    3. 合并(Merge) 由于a[p:q-1] 和a[q+1:r]的排序都是在原位置进行的,所以不必进行任何合并操作就已经排好序了。

      在上面三个步骤中,第一步:分解是关键。一次快速排序确定划分元素的位置,具体参见排序算法----快速排序

      3、归并排序

      归并排序也是基于分治策略的另一个算法。归并的思路是把两个已经排好序的数组合并为一个。(源程序)
      2-路归并排序示例:
      初始值        E        Y        U        K        S        L        B
      一趟归并排序        E   Y        K   U        L   S        B
      两趟归并排序        E  K  U  Y        B  L  S
      三趟归并排序        B  E  K  L  S  U  Y
      习题:对数字49 38 40 97 76 13 27进行归并排序
      procedure mergesort(var r,r1:listtype;s,t:integer);
      {r,r1:均为链表,存储排序数据;过程mergesort(r,r1,s,t)完成把链表r中的关键字进行归并排序、并存放到链表r1中,其中s是下界t是上界}
      {过程merge(r2,s,m,t,r1)把链表r2中排好序的子链r2[s..m]和子链r2[m+1..t]合并到r1中}
      if 问题不可分 then
        求解        if s=t then
      r1[s]:=r[s]
      else         else
        (1)分出问题的一个子问题1,并求解子问题1        mergesort(r,r2,s,(s+t)div 2);
        (2)分出问题的一个子问题2,求解子问题2        mergesort(r,r2,(s+t)div 2,t);
        (3)合并子问题1和子问题2        merge(r2,s,(s+t)div 2,t,r1);
        4、[循环赛问题](1999年广东省青少年信息学奥林匹克竞赛 第三题:棒球联赛)

      问题描述:广州市体委将举行一次由N支队伍(队伍编号为1..N)参加的少年棒球联赛。联赛总共不能多于N轮(同一时间内若干支队进行一次比赛为一轮),并且每两支队之间必须而且仅必须进行一次比赛。请编程为这次比赛设计一个赛程表。

      循环赛问题可以用分治法解决。下面是先假定n=2^k
      CODE:  [Copy to clipboard]
      procedure table(k:integer;a:array[1..u1,1..u2] of integer);
      var n,i,j,m,s,t:integer;
      begin
        n:=1;
        for i:=1 to k do n:=n*2;
        for i:=1 to n do a[1,i]:=i;
        m:=1;
        for s:=1 to k do
         begin
          n:=n / 2;
          for t:=1 to n do
          for i:=m+1 to 2*m do
           for j:=m+1 to 2*m do
            begin
             a[i,j+(t-1)*m*2]:=a[i-m,j+(t-1)*m*2-m];
             a[i,j+(t-1)*m*2-m]:=a[i-m,j+(t-1)*m*2];
            end;
           m:=m*2;
         end;{for s}
      end;
      三、练习题

      [二分检索]假定在A[1..9]中顺序存放这九个数:-7,-2,0,5,16,43,57,102,291 要求检索291,16,101是否在数组中。

      给定已排好序的n个元素A1,A2,A3,…,An, 找出元素x是否在A中,如果x在A中,指出它在A中的位置。

      用到递归调用的源程序binSearch.pas
      非递归源程序binSe2.pas
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