分治法与递归编程步骤

Posted 2020-06-20

分治法是一种很强大的算法设计方法。基本思想是：将原问题分解为几个规模小但类似于原问题的子问题，递归的求解这些子问题，然后再合并这些子问题的解来建立原问题的解。

在分治策略中，递归地求解一个问题，在每层递归中应用如下三个步骤：

（1）分解（Divide）：将原问题分解为一些子问题，子问题的形式与原问题一样，只是规模更小。

（2）解决（Conquer）：递归地解出子问题。如果子问题规模足够小，则停止递归，直接求解。

（3）合并（Combine）：将子问题的解组合成原问题的解。

 

分治思想体现在编码上，往往就是递归的形式。实际在编码的时候，可以遵循如下步骤：

（1）精心设计函数原型，包括入参、出参和返回值等。

（2）调用（1）中的函数处理各个子问题，并假设子问题已经解决了。

（3）处理子问题合并的具体细节。

（4）处理基本情况。

（5）将（4）中的代码移到函数体的前面，整理代码结构。

 

例子1：递归版插入排序 

为了排序A[1..n]，我们递归地排序A[1..n-1]，然后把A[n]插入已排序的数组A[1..n-1]。

第一步：设计函数原型

void my_insertion_sort(int a[], int left, int right) //将数组a[left...right]之间的元素排序,left和right都是下标，从0开始取值.
{
}

第二步：调用函数解决子问题

void my_insertion_sort(int a[], int left, int right) //将数组a[left, ...right]之间的元素排序，left, 和right都是下标，从0开始取值。
{
    my_insertion_sort(a, left, right - 1); //调用函数给数组a[left .. right-1]之间的元素排序
    
    //数组a[left .. right-1]已经排好序了，接下来就是将a[right]插入到a[left .. right-1]中的适当位置了。
}

第三步：合并子问题

接下来要编写的代码就是将a[right]插入到a[left .. right-1]中的适当位置，如下：

void my_insertion_sort(int a[], int left, int right) //将数组a[left, ...right]之间的元素排序，left, 和right都是下标，从0开始取值。
{
    my_insertion_sort(a, left, right - 1); //调用函数给数组a[left .. right-1]之间的元素排序
    
    //将a[right]插入到a[left .. right-1]中
    int j = right - 1;
    int temp = a[right];
    while (j >= left && temp < a[j])
    {
        a[j + 1] = a[j];
        --j;
    }
    a[j + 1] = temp;
    //至此，a[right]已经插入到a[left .. right-1]中的适当位置了
}

第四步：处理基本情况

查看函数原型void my_insertion_sort(int a[],int left,in right); 发现当left等于right的时候，待排序区间就一个元素，直接返回。

void my_insertion_sort(int a[], int left, int right) //将数组a[left, ...right]之间的元素排序，left, 和right都是下标，从0开始取值。
{
    my_insertion_sort(a, left, right - 1); //调用函数给数组a[left .. right-1]之间的元素排序//将a[right]插入到a[left .. right-1]中
    int j = right - 1;
    int temp = a[right];
    while (j >= left && temp < a[j])
    {
        a[j + 1] = a[j];
        --j;
    }
    a[j + 1] = temp;
    //至此，a[right]已经插入到a[left .. right-1]中的适当位置了

    //当left == right的时候就是基本情况，此时就直接返回了。
    if(left == right)
       return;
}

第五步：优化代码结构，将第四步的代码移到前面。

void my_insertion_sort(int a[], int left, int right) //将数组a[left, ...right]之间的元素排序，left, 和right都是下标，从0开始取值。
{
    //当left == right的时候就是基本情况，此时就直接返回了。
    if(left == right)
        return;

    my_insertion_sort(a, left, right - 1); //调用函数给数组a[left .. right-1]之间的元素排序//将a[right]插入到a[left .. right-1]中
    int j = right - 1;
    int temp = a[right];
    while (j >= left && temp < a[j])
    {
        a[j + 1] = a[j];
        --j;
    }
    a[j + 1] = temp;
    //至此，a[right]已经插入到a[left .. right-1]中的适当位置了
}

或者最好是

void my_insertion_sort(int a[], int left, int right) //将数组a[left, ...right]之间的元素排序，left, 和right都是下标，从0开始取值。
{
    if(left < right)    //处理边界条件
    {
        my_insertion_sort(a, left, right - 1); //调用函数给数组a[left .. right-1]之间的元素排序//将a[right]插入到a[left .. right-1]中
        int j = right - 1;
        int temp = a[right];
        while (j >= left && temp < a[j])
        {
            a[j + 1] = a[j];
            --j;
        }
        a[j + 1] = temp;
        //至此，a[right]已经插入到a[left .. right-1]中的适当位置了
    }
    
}

 

例子2：归并排序

归并排序就是分治思想的典型例子。

第一步：设计函数原型：

比如要将数组a[left...right]之间的元素排序，可以设计如下原型：

void my_merge_sort(int a[],int left,in right); // left和right分别是待排序区间的左右下标，取值从0开始。
{

}

第二步：调用函数解决子问题：

我们将待排序区间分成两部分，并在这两部分上调用我们的函数解决它。

void my_merge_sort(int a[],int left,in right); // left和right分别是待排序区间的左右下标，取值从0开始。
{
    int mid = ( left + right ) / 2;    //将待排序数组均分为两部分，递归解决
    my_merge_sort(a,left,mid);      　　//给数组的前半部分排序
    my_merge_sort(a,mid+1,right);　　　　//给数组的后半部分排序

    //数组的前、后半部分都已经排好序了，接下来就是合并了。
}

第三步：合并子问题

设计一个函数merge(int a[],int l,int m,int r)来处理两个已排序数组的合并问题，这里不给出实现。

void my_merge_sort(int a[],int left,in right); // left和right分别是待排序区间的左右下标，取值从0开始。
{
    int mid = ( left + right ) / 2;    //将待排序数组均分为两部分，递归解决
    my_merge_sort(a,left,mid);      //给数组的前半部分排序
    my_merge_sort(a,mid+1,right); //给数组的后半部分排序

    merge(a,left,mid,right); //调用写好的函数来合并数组的前后两部分
}

第四步：处理基本情况

对于之前设计的排序函数的原型：void my_merge_sort(int a[],int left,in right); 当left等于right的时候，待排序区间就一个元素，直接返回。

void my_merge_sort(int a[],int left,in right); // left和right分别是待排序区间的左右下标，取值从0开始。
{
     int mid = ( left + right ) / 2;    //将待排序数组均分为两部分，递归解决
    my_merge_sort(a,left,mid);      //给数组的前半部分排序
    my_merge_sort(a,mid+1,right); //给数组的后半部分排序

    merge(a,left,mid,right); //调用写好的函数来合并数组的前后两部分

    //当left == right的时候就是基本情况，此时就直接返回了。
    if(left == right)
        return;
}

第五步：优化代码结构，将第四步的代码移到前面。此时的代码结构如下：

void my_merge_sort(int a[],int left,in right); // left和right分别是待排序区间的左右下标，取值从0开始。
{
    //当left == right的时候就是基本情况，此时就直接返回了。
    if(left == right)
        return;

    int mid = ( left + right ) / 2;    //将待排序数组均分为两部分，递归解决
    my_merge_sort(a,left,mid);      //给数组的前半部分排序
    my_merge_sort(a,mid+1,right); //给数组的后半部分排序

    merge(a,left,mid,right); //调用写好的函数来合并数组的前后两部分
  
}

 或者最好是

void my_merge_sort(int a[],int left,in right); // left和right分别是待排序区间的左右下标，取值从0开始。
{
    if(left < right)
    {
        int mid = ( left + right ) / 2;    //将待排序数组均分为两部分，递归解决
        my_merge_sort(a,left,mid);      //给数组的前半部分排序
        my_merge_sort(a,mid+1,right); //给数组的后半部分排序

        merge(a,left,mid,right); //调用写好的函数来合并数组的前后两部分
    }  
}