五种常用算法之分治算法

分治算法基本概念:  

分治算法就是把一个复杂的问题分成两个甚至多个相同属性的子问题,然后通过对子问题的逐个击破达到对复杂问题的最终解决。也就是一种分目标完成程序算法,其中简单问题可用二分法解决。然后这个算法也是许多高效算法的基础,比如排序算法(快速排序,归并排序),傅立叶变换(快速傅立叶变换)……

思路:

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。

基本步骤:

1、将原问题分解为n个规模较小的子问题,各子问题间独立存在,并且与原问题形式相同

2、递归的解决各个子问题
3、将各个子问题的解合并得到原问题的解
 

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。

 

分治算法的复杂度分析:

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)。

 
应用:
示例:棋盘覆盖、找出伪币、求最值
可以使用分治算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
posted on 2018-09-20 00:02  西电lxl  阅读(305)  评论(0编辑  收藏  举报