分治法

Posted 2020-12-04 jiaxin359

分治法：

分治算法 这个博客介绍了分治的基本内容

首先回答分治法的基本思想：在解决一个问题的时候，可以把这个问题分成子问题，子问题的求解方式和原问题基本相同，这样可以不断划分，直到问题能够以最小的形式解决，然后将子问题的结果合并起来就是原问题的解决方法。

分治法的适用情况：1：问题规模足够小的时候能够解决。 2：该问题可以划分为规模较小的若干问题。 3：子问题的解合并是原来问题的解。 4：各个子问题相互独立。

分治法的执行过程：1：问题拆分。 2：子问题求解。 3：合并。

算法复杂性分析：复杂性是一个递归公式，$T(n) = aT(frac{n}{b}) + f(n)$ b为子问题相对于原问题的规模，a为子问题个数，f(n)表示剩余程序的复杂度。

若f(n)复杂度为$O(n^d)$，这个时候公式变为了$T(n) = aT(frac{n}{b}) + O(n^d)$  ，一般用下面的主方法进行分析。

$$ T(x)=left{ egin{aligned} O(n^d)  & & a< b^d\ O(n^d log n)  & & a = b^d \ O(n^{log_b a}) & & a>b^d end{aligned} ight. $$

下面是一些分治法的例子：

归并排序

若将一个数组排序，1：需要将其拆分为左右两部分 2：左右两部分都需要进行排序  3：合并的时候使用外排的方法进行合并。

def merge_sort(array):
    """归并排序

    使用分治法的思想来进行排序， 使用递归的方法来进行实现

    时间复杂度：使用master公式  a=2, b=2。除去递归，其它问题的复杂度，也就是merge的复杂度o(n),
              所以，整体的复杂度为O(n*logn)
    空间复杂度：归并排序每次递归需要用到一个辅助表，长度与待排序的表相等，
              虽然递归次数是O(log2n)，但每次递归都会释放掉所占的辅助空间，
              所以下次递归的栈空间和辅助空间与这部分释放的空间就不相关了，因而空间复杂度还是O（n）
    稳定性： 稳定性算法。在merge的时候，如果两个值相等，可以控制让左边先进来，然后右边再进来。
    """
    if len(array) <= 1:
        return array
    mid = int(len(array)/2)
    left = merge_sort(array[:mid])
    right = merge_sort(array[mid:])
    return merge(left, right)

def merge(left, right):
    """合并算法

    刚开始并没与价差两个数组的长度，而是直接相减，直到有一个为为止

    时间复杂度：o(n)  需要遍历一边left和right
    空间复杂度为 o(n) 需要一个result数组来存储结果

    """
    result  = []
    l, r = 0, 0
    while(l < len(left) and r < len(right)):
        if left[l] < right[r]:
            result.append(left[l])
            l += 1
        else:
            result.append(right[r])
            r += 1

    result += (left[l:])
    result += (right[r:])
    return result

最大子数组问题：

  来自算法导论4.1章，问题是这样的，给定一组数组，求这个数组当中连续数组和的最大值，和数组的边界。比如在数组

[13, -3, -25,20,-3,-16,-23,18,20,-7,12,-5,-22,15,-4,7] 中最大子数组是从18到12的连续4个数，它们的和为43。

  将原来的数组划分为两个数组，这样最大子数组只可能有三种情况：完全位于左边数组，完全位于右边数组，位于两个数组中间，对于前两个问题，递归的进行求解，对于第三个问题可以设计单独的函数求解。

采用分治法的方法来解决这个问题：1：可以将一个数组分为左右两个部分。 2：变成三个子问题：分别求左边部分中的最大子数组、右边部分的最大子数组 ，还有包含中间节点的最大子数组。3：合并这三种情况。上面划线的分析是错误的，2：变为两个子问题，求解左边部分的最大子数组，求解右边部分的最大子数组，使用递归的方式来解。 3：考虑最大子数组的三种情况，然后进行合并，因为求解包含中间节点的最大子数组没有调用递归算法，所以不属于子问题，而划分到合并里面。

def find_maximum_subarray(arr, low, high):
    """发现最大子数组"""
    if low == high:
        return (low, high, arr[low])

    mid = int((low+high)/2)
    left_low, left_high, left_sum = find_maximum_subarray(arr, low, mid)          # 划分并且求解左子部分
    right_low, right_high, right_sum = find_maximum_subarray(arr, mid + 1, high)  # 划分并且求解右子部分
    mid_low, mid_high, mid_sum = find_max_crossing_subarray(arr, low, mid, high)  # 求解出现在中间的情况

    # 合并子问题
    if left_sum >= right_sum and left_sum >= mid_sum:
        return left_low, left_high, left_sum
    elif right_sum >= left_sum and right_sum >= mid_sum:
        return right_low, right_high, right_sum
    else:
        return mid_low, mid_high, mid_sum



def find_max_crossing_subarray(arr, low, mid, high):
    """当数组最大值包含mid的时候的求解方法"""

    # 先求解low到min的最大子数组
    left_sum = float(‘-inf‘)
    all_sum = 0
    left_index = mid
    for index in range(mid, low-1, -1):
        all_sum += arr[index]
        if all_sum > left_sum:
            left_sum = all_sum
            left_index = index

    # 然后求解mid到high的最大子数组
    right_sum = float(‘-inf‘)
    all_sum = 0
    right_index = mid+1
    for index in range(mid+1, high+1):
        all_sum += arr[index]
        if all_sum > right_sum:
            right_sum = all_sum
            right_index = index
    # 将两部分的结果合并
    return (left_index, right_index, left_sum+right_sum)

def max_subarray(arr):
    return find_maximum_subarray(arr, 0, len(arr)-1)


if __name__ == ‘__main__‘:
    arr = [13, -3, -25,20,-3,-16,-23,18,20,-7,12,-5,-22,15,-4,7]
    x = max_subarray(arr)
    print(x)