• 基本算法思想


    对于我们开发者来说,学习一门程序语言比较容易,难的是如何编写一个高质量的程序。算法可以说是程序的灵魂,一个好的算法往往可以化繁为简、高效率地求解问题。因此,开发者应该重点掌握各种算法思路,并在学习和工作中不断总结算法经验。

    在实际应用中,不同的问题往往有不同的解题思路。如果找不到一个合适的思路,那么可能使求解过程变得复杂,更有甚者无法求解得到结果。选择合理的思路,往往可以帮助用户理清问题的头绪,更快地解决问题。算法就是起到了这个作用。根据问题的不同,可以采用以下下几种常用的算法来进行求解:

    ・穷举算法;

    ・递推算法;

    ・递归算法;

    ・分治算法;

    ・概率算法。

    一、穷举算法

    穷举算法(Exhaustive Attack method)是最简单的一种算法,其依赖于计算机的强大计算能力,来穷尽每一种可能的情况,从而达到求解问题的目的。穷举算法效率并不高,但是适合于一些没有明显规律可循的场合。

    穷举算法的基本思路就是从所有可能的情况中搜索正确的答案,其执行步骤如下:

    (1)对于一种可能的情况,计算其结果。

    (2)判断结果是否满足要求,如果不满足则执行第(1)步来搜索下一个可能的情况;如果满足要求,则表示寻找到一个正确的答案。

    在使用穷举算法时,需要明确问题的答案的范围,这样才可以在指定范围内搜索答案。指定范围之后,就可以使用循环语句和条件判断语句逐步验证候选答案的正确性,从而得到需要的正确答案。

    二、递推算法

    递推算法是很常用的算法思想,在数学计算等方面有着广泛的应用。递推算法适合有着明显公式规律的场合。

    递推算法是一种理性思维模式的代表,其根据已有的数据和关系,逐步推导而得到结果。递推算法的执行过程如下:

    (1)根据已知结果和关系,求解中间结果。

    (2)判定是否达到要求,如果没有达到,则继续根据已知结果和关系求解中间结果;如果满足要求,则表示寻找到一个正确的答案。

    递推算法往往需要用户知道答案和问题之间的逻辑关系。在许多数学问题中,都有着明确的计算公式可以遵循,因此往往可以采用递推算法来实现。

    三、递归算法

    递归算法是很常用的算法思想。使用递归算法,往往可以简化代码编写,提高程序的可读性。但是,不合适的递归往往导致程序的执行效率变低。

    递归算法即在程序中不断反复调用自身来达到求解问题的方法。此处的重点是调用自身,这就要求待求解的问题能够分解为相同问题的一个子问题。这样,通过多次递归调用,便可以完成求解。

    递归调用是一个方法在其方法体内调用其自身的方法调用方式。这种方法也称为“递归方法”。在递归方法中,主调方法又是被调方法。执行递归方法将反复调用其自身。每调用一次就进入新的一层。

    方法的递归调用分两种情况:直接递归和间接递归。

    ・直接递归,即在方法中调用方法本身。

    ・间接递归,即间接地调用一个方法,如func_a调用func_b,func_b又调用func_a。间接递归用得不多。编写递归方法时,必须使用if语句强制方法在未执行递归调用前返回。如果不这样做,在调用方法后,它将永远不会返回。这是一个很容易犯的错误。

    递归优点:程序代码更简洁清晰,可读性更好。有的算法用递归表示要比用循环表示简洁精练,而且某些问题,特别是与人工智能有关的问题,更适宜用递归方法,如八皇后问题、汉诺塔问题等。有的算法,用递归能实现,而用循环却不一定能实现。

    递归缺点:大部分递归例程没有明显地减少代码规模和节省内存空间。递归形式比非递归形式运行速度要慢一些。这是因为附加的方法调用增加了时间开销,例如需要执行一系列的压栈出栈等操作。但在许多情况下,速度的差别不太明显。如果递归层次太深,还可能导致堆栈溢出。

    四、分治算法

    分治算法是一种化繁为简的算法思想。分治算法往往应用于计算步骤比较复杂的问题,通过将问题简化而逐步得到结果。

    分治算法的基本思想是将一个计算复杂的问题分为规模较小、计算简单的小问题求解,然后综合各个小问题,得到最终问题的答案。分治算法的执行过程如下:

    (1)对于一个规模为N的问题,若该问题比较容易解决(比如规模N较小),则直接解决;否则执行下面的步骤。

    (2)将该问题分解为M个规模较小的子问题,这些子问题互相独立,并且与原问题形式相同。

    (3)递归地解这些子问题。

    (4)然后,将各子问题的解合并得到原问题的解。

    使用分治算法需要待求解问题能够转化为若干个小规模的相同问题,通过逐步划分,能够达到一个易于求解的阶段而直接进行求解。然后,程序中可以使用递归算法来进行求解。

    五、概率算法

    概率算法依照概率统计的思路来求解问题,其往往不能得到问题的精确解,但是在数值计算领域得到了广泛的应用。因为很多数学问题,往往没有或者很难计算解析,此时便需要通过数值计算来求解近似值。

    概率算法执行的基本过程如下:

    (1)将问题转化为相应的几何图形S,S的面积容易计算,问题的结果往往对应几何图形中某一部分S1的面积。(2)然后,向几何图形中随机撒点。

    (3)统计几何图形S和S1中的点数。根据S和S1面积的关系及各图形中的点数来计算得到结果。

    (4)判断上述结果是否在需要的精度之内,如果未达到精度则执行步骤(2)。如果达到精度,则输出近似结果。

    概率算法大致分为如下4种形式:

    (1)数值概率算法;

    (2)蒙特卡罗(Monte Carlo)算法;

    (3)拉斯维加斯(Las Vegas)算法;

    (4)舍伍德(Sherwood)算法;

     

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