• 五大常用算法之一：分治算法

    分治算法：

    　　一、基本概念

    　　在计算机科学中，分治法是一种很重要的算法。字面上的解释是“分而治之”，就是把一个复杂的问题分成两个或更多的相同或相似的子问题，再把子问题分成更小的子问题……直到最后子问题可以简单的直接求解，原问题的解即子问题的解的合并。这个技巧是很多高效算法的基础，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)……
    　　任何一个可以用计算机求解的问题所需的计算时间都与其规模有关。问题的规模越小，越容易直接求解，解题所需的计算时间也越少。例如，对于n个元素的排序问题，当n=1时，不需任何计算。n=2时，只要作一次比较即可排好序。n=3时只要作3次比较即可，…。而当n较大时，问题就不那么容易处理了。要想直接解决一个规模较大的问题，有时是相当困难的。

    　　二、基本思想及策略

    　　分治法的设计思想是：将一个难以直接解决的大问题，分割成一些规模较小的相同问题，以便各个击破，分而治之。

    　　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。

    　　三、分治法使用场景

    　　分治法所能解决的问题一般具有以下几个特征：

    　　1) 该问题的规模缩小到一定的程度就可以容易地解决

    　　2) 该问题可以分解为若干个规模较小的相同问题，即该问题具有最优子结构性质。

    　　3) 利用该问题分解出的子问题的解可以合并为该问题的解；

    　　4) 该问题所分解出的各个子问题是相互独立的，即子问题之间不包含公共的子子问题。

    　　第一条特征是绝大多数问题都可以满足的，因为问题的计算复杂性一般是随着问题规模的增加而增加；

    　　第二条特征是应用分治法的前提它也是大多数问题可以满足的，此特征反映了递归思想的应用；、

    　　第三条特征是关键，能否利用分治法完全取决于问题是否具有第三条特征，如果具备了第一条和第二条特征，而不具备第三条特征，则可以考虑用贪心法或动态规划法。

    　　第四条特征涉及到分治法的效率，如果各子问题是不独立的则分治法要做许多不必要的工作，重复地解公共的子问题，此时虽然可用分治法，但一般用动态规划法较好。

    　　四、分治法得基本步骤

    　　分治法在每一层递归上都有三个步骤：

    　　step1 分解：将原问题分解为若干个规模较小，相互独立，与原问题形式相同的子问题；

    　　step2 解决：若子问题规模较小而容易被解决则直接解，否则递归地解各个子问题

    　　step3 合并：将各个子问题的解合并为原问题的解。

    　　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。

    　　五、分治法的复杂性分析

    　　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)。

    六、可使用分治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

    七、一些经典问题求解代码实现

    　　1）二分搜索

    　　　　二分搜索又叫做二分查找、折半查找，它是一种效率较高得查找方法。

    　　　　二分搜索得要求：

    　　　　线性表为有序表，并且要用向量作为表得存储结构。

    　　　　二分搜索得基本思想：先确定待查找记录所在的范围，然后逐步缩小范围直至找到或找不到该记录位置。

    　　　　二分查找步骤：

    　　　　1、先确定中间位置：

    　　　　middle = (left+right)/2;

    　　　　2、将待查找得key值与data[middle].key值相比较。若相等，则查找成功并返回该位置，否则须确定新得查找区间，继续二分查找，具体方法如下：

      1. 　　如果data[middle].key大于key，由于data为有序线性表，可知data[middle...right].key均大于key，因此若表中存在关键字等于key得节点，则一定在位置middle左边的子表中。
      2.       反之，　data[middle].key小于key，　因此若表中存在关键字等于key得节点，则一定在位置middle右边的子表中。下一次查找针对新得区域进行查找。

    　　　　java代码实现：

    　　

     1 public static void main(String[] args) {
 2         int[] a = {1,2,3,4,5,6,7,8,9};
 3         int pos =bSearch(a, 0, a.length-1, 1);
 4         System.out.println(pos);
 5     }
 6     
 7     
 8     public static int bSearch(int[] data,int left,int right,int key){
 9         //获取中间位置
10         int middle = (left+right)/2;
11         //比较key值如相等，返回当前位置，否则确认新的查找空间
12         if(data[middle] == key){
13             return middle;
14         }else if(data[middle] >key){
15             return bSearch(data, left, middle-1, key);
16         }else{
17             return bSearch(data, middle+1, right, key);
18         }
19     }

    　　2）汉诺塔　

    　　　　在汉诺塔游戏中，有三个分别命名为A、B、C得塔座，几个大小各不相同，从小到大一次编号得圆盘，每个原盘中间有一个小孔。最初，所有得圆盘都在A塔座上，其中最大得圆盘在最下面，然后是第二大，以此类推.

    　　　　游戏的目的是将所有的圆盘从塔座A移动到塔座B;塔座C用来防止临时圆盘,游戏的规则如下:

    　　　　1、一次只能移动一个圆盘

    　　　　2、任何时候都不能将一个较大的圆盘压在较小的圆盘上面.

    　　　　3、除了第二条限制,任何塔座的最上面的圆盘都可以移动到其他塔座上.

    　　汉诺塔问题解决思想:

    　　　　在解决汉诺塔问题时,事实上,我们不是罪关心圆盘1开始应该挪到哪个塔座上,而是关心最下面的圆盘4.当然,我们不能直接移动圆盘4,但是圆盘4最终将从塔座A移动到塔座B.按照游戏规则,在移动圆盘4之前的情况一定如下图

    　　 我们仍将分析,如何将前三个圆盘从A移动到C,然后圆盘4从A移动到B,前三个圆盘从C再移动到B.

    　　但是上面的步骤可以重复利用!例如将三个圆盘从A移动到C,那么应该先将前两个圆盘从A移动到B,然后将圆盘3从A移动到C,最后将前两个圆盘从B移动到C.

    　　持续简化这个问题,最终我们将只需要处理一个圆盘从一个塔座移动到另一个塔座的问题.

    　　java代码实现:

    　　

     1 public class Moved {
 2     private static int count = 1;
 3     public static void main(String[] args) {
 4         moved(4, "第一根柱子", "第二根柱子", "第三根柱子");
 5     }
 6     
 7     /**
 8      * 
 9      * @param i  圆盘数量
10      * @param a  圆盘初始所在塔座
11      * @param b  圆盘将要移动到的塔座
12      * @param c     辅助圆盘移动的塔座
13      */
14     public static void moved(int i,String a,String b,String c){
15         if(i == 1){
16             disPaly(1, a, b);
17         }else{
18             //将i-1根圆盘由A移动到C
19             moved(i-1, a, c, b);
20             //将圆盘i 由A移动到B
21             disPaly(i, a, b);
22             //将i-1根圆盘由C移动到A
23             moved(i-1,c,b,a);
24         }
25     }
26     
27     public static void disPaly(int i,String a,String b){
28         System.out.println("第"+count+"步：移动第"+i+"个塔从"+a+"到"+b);
29         count++;
30     }
31 }

    运行结果:

     1 第1步：移动第1个塔从第一根柱子到第三根柱子
 2 第2步：移动第2个塔从第一根柱子到第二根柱子
 3 第3步：移动第1个塔从第三根柱子到第二根柱子
 4 第4步：移动第3个塔从第一根柱子到第三根柱子
 5 第5步：移动第1个塔从第二根柱子到第一根柱子
 6 第6步：移动第2个塔从第二根柱子到第三根柱子
 7 第7步：移动第1个塔从第一根柱子到第三根柱子
 8 第8步：移动第4个塔从第一根柱子到第二根柱子
 9 第9步：移动第1个塔从第三根柱子到第二根柱子
10 第10步：移动第2个塔从第三根柱子到第一根柱子
11 第11步：移动第1个塔从第二根柱子到第一根柱子
12 第12步：移动第3个塔从第三根柱子到第二根柱子
13 第13步：移动第1个塔从第一根柱子到第三根柱子
14 第14步：移动第2个塔从第一根柱子到第二根柱子
15 第15步：移动第1个塔从第三根柱子到第二根柱子

    　　

    　　　　　　　
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