分治法

一、基本概念

在計算機科學中,分治法是一種很重要的算法。字面上的解釋是“分而治之”,就是把一個復雜的問題分成兩個或更多的相同或相似的子問題,再把子問題分成更小的子問題……直到最后子問題可以簡單的直接求解,原問題的解即子問題的解的合并。這個技巧是很多高效算法的基礎,如排序算法(快速排序,歸并排序),傅立葉變換(快速傅立葉變換)……

任何一個可以用計算機求解的問題所需的計算時間都與其規模有關。問題的規模越小,越容易直接求解,解題所需的計算時間也越少。例如,對于n個元素的排序問題,當n=1時,不需任何計算。n=2時,只要作一次比較即可排好序。n=3時只要作3次比較即可,…。而當n較大時,問題就不那么容易處理了。要想直接解決一個規模較大的問題,有時是相當困難的。

二、基本思想及策略

分治法的設計思想是:將一個難以直接解決的大問題,分割成一些規模較小的相同問題,以便各個擊破,分而治之。

分治策略是:對于一個規模為n的問題,若該問題可以容易地解決(比如說規模n較小)則直接解決,否則將其分解為k個規模較小的子問題,這些子問題互相獨立且與原問題形式相同,遞歸地解這些子問題,然后將各子問題的解合并得到原問題的解。這種算法設計策略叫做分治法。

如果原問題可分割成k個子問題,1<k≤n,且這些子問題都可解并可利用這些子問題的解求出原問題的解,那么這種分治法就是可行的。由分治法產生的子問題往往是原問題的較小模式,這就為使用遞歸技術提供了方便。在這種情況下,反復應用分治手段,可以使子問題與原問題類型一致而其規模卻不斷縮小,最終使子問題縮小到很容易直接求出其解。這自然導致遞歸過程的產生。分治與遞歸像一對孿生兄弟,經常同時應用在算法設計之中,并由此產生許多高效算法。

三、分治法適用的情況

分治法所能解決的問題一般具有以下幾個特征:

  1. 該問題的規??s小到一定的程度就可以容易地解決

  2. 該問題可以分解為若干個規模較小的相同問題,即該問題具有最優子結構性質。

  3. 利用該問題分解出的子問題的解可以合并為該問題的解;

  4. 該問題所分解出的各個子問題是相互獨立的,即子問題之間不包含公共的子子問題。

第一條特征是絕大多數問題都可以滿足的,因為問題的計算復雜性一般是隨著問題規模的增加而增加;

第二條特征是應用分治法的前提它也是大多數問題可以滿足的,此特征反映了遞歸思想的應用;、

第三條特征是關鍵,能否利用分治法完全取決于問題是否具有第三條特征,如果具備了第一條和第二條特征,而不具備第三條特征,則可以考慮用貪心法或動態規劃法。

第四條特征涉及到分治法的效率,如果各子問題是不獨立的則分治法要做許多不必要的工作,重復地解公共的子問題,此時雖然可用分治法,但一般用動態規劃法較好。

四、分治法的基本步驟

分治法在每一層遞歸上都有三個步驟:

step1 分解:將原問題分解為若干個規模較小,相互獨立,與原問題形式相同的子問題;

step2 解決:若子問題規模較小而容易被解決則直接解,否則遞歸地解各個子問題

step3 合并:將各個子問題的解合并為原問題的解。

它的一般的算法設計模式如下:

Divide-and-Conquer(P)

  1. if |P|≤n0

  2. then return(ADHOC(P))

  3. 將P分解為較小的子問題 P1 ,P2 ,…,Pk

  4. for i←1 to k

  5. do yi ← Divide-and-Conquer(Pi) △ 遞歸解決Pi

  6. T ← MERGE(y1,y2,…,yk) △ 合并子問題

  7. return(T)

其中|P|表示問題P的規模;n0為一閾值,表示當問題P的規模不超過n0時,問題已容易直接解出,不必再繼續分解。ADHOC(P)是該分治法中的基本子算法,用于直接解小規模的問題P。因此,當P的規模不超過n0時直接用算法ADHOC(P)求解。算法MERGE(y1,y2,…,yk)是該分治法中的合并子算法,用于將P的子問題P1 ,P2 ,…,Pk的相應的解y1,y2,…,yk合并為P的解。

五、分治法的復雜性分析

一個分治法將規模為n的問題分成k個規模為n/m的子問題去解。設分解閥值n0=1,且adhoc解規模為1的問題耗費1個單位時間。再設將原問題分解為k個子問題以及用merge將k個子問題的解合并為原問題的解需用f(n)個單位時間。用T(n)表示該分治法解規模為|P|=n的問題所需的計算時間,則有:

T(n)= k T(n/m)+f(n)

通過迭代法求得方程的解:

遞歸方程及其解只給出n等于m的方冪時T(n)的值,但是如果認為T(n)足夠平滑,那么由n等于m的方冪時T(n)的值可以估計T(n)的增長速度。通常假定T(n)是單調上升的,從而當mi≤n<mi+1時,T(mi)≤T(n)<T(mi+1)。

六、可使用分治法求解的一些經典問題

(1)二分搜索
(2)大整數乘法
(3)Strassen矩陣乘法
(4)棋盤覆蓋
(5)合并排序
(6)快速排序
(7)線性時間選擇
(8)最接近點對問題
(9)循環賽日程表
(10)漢諾塔
七、依據分治法設計程序時的思維過程

實際上就是類似于數學歸納法,找到解決本問題的求解方程公式,然后根據方程公式設計遞歸程序。
1、一定是先找到最小問題規模時的求解方法
2、然后考慮隨著問題規模增大時的求解方法
3、找到求解的遞歸函數式后(各種規?;蛞蜃樱O計遞歸程序即可。

  1. Burst Balloons
    這道題一開始還是很難的
    問題應該反過來考慮,假設有n盞燈,
    一開始n盞燈都熄滅了;
    再考慮n-1盞燈都熄滅了;
    ……
    最后考慮所有的燈n - (n - 1)都熄滅了;
    吱吱, 典型的動態規劃對不對?
    每一層都多熄滅了一盞燈, 至于那一盞燈, 用分治法呀
//20170922   參考
class Solution {  
public:  
    int maxCoins(vector<int>& nums) {  
        int arr[nums.size()+2];  
          
        for(int i=1;i<nums.size()+1;++i)arr[i] = nums[i-1];  
        arr[0] = arr[nums.size()+1] = 1;  
          
        int dp[nums.size()+2][nums.size()+2]={};  
        int n = nums.size()+2;  
          
        for(int k=2;k<n;++k)  
        {  
            for(int left = 0;left<n-k;++left){  
                int right = left + k;  
                for(int i=left+1;i< right; ++i)  
                {  
                    dp[left][right] = max(dp[left][right],arr[left]*arr[i]*arr[right] + dp[left][i] + dp[i][right]);  
                }  
            }      
        }  
        return dp[0][n-1];  
    }  
};
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