最大子数组问题

第四章 分治策略 练习4.1-5

使用如下思想为最大子数组问题设计一个非递归的、线性时间的算法。从数组的左边界开始,由左往右处理,记录到目前为止已经处理过的最大子数组。若已知A[1...j] 的最大子数组,基于如下性质将解扩展为A[1...j+1] 的最大子数组:A[1...j+1] 的最大子数组要么是A[1...j] 的最大子数组,要么是某个子数组A[i...j+1] (1<= i <= j+1)。在已知A[1...j] 的最大子数组的情况下,可以在线性时间内找出开始A[i...j+1] 的最大子数组。

基于java的实现方法如下:

/**
 * 最大子数组
 * Created by Sherlock on 2016/2/26.
 */
public class MaxSubArray<T extends Comparable<T>> {

    private List<T> list = new ArrayList<>();
    private final Addition<T> addition;

    public MaxSubArray(List<T> list, Addition<T> addition){
        this.list.addAll(list);
        this.addition = addition;
    }

    /**
     * @param zero 零值,用于比较
     * @return 返回 最大子数组
     */
    public List<T> findMaxSubArray(T zero){
        //初始A[i...j+1] = A[0]
        T frontierSum = list.get(0);
        int frontierL = 0;//记录始坐标
        int frontierR = 0;//记录末坐标
        T maxSubSum = list.get(0);
        int left = 0;//记录始坐标
        int right = 0;//记录末坐标

        for (int i = 1; i < list.size(); i++){
            //如果前面的A[i...j+1]<=0,直接弃用,更新为最新值
            if (frontierSum.compareTo(zero) <= 0){
                frontierSum = list.get(i);
                frontierL = i;
                frontierR = i;
            }else{
                //累加,并更新末坐标
                frontierSum = addition.add(frontierSum,list.get(i));
                frontierR = i;
            }
            //比较最大子数组的和与A[i...j+1]的和的大小,如果小于A[i...j+1],则更新当前i的最大子数组并记录坐标
            if (maxSubSum.compareTo(frontierSum) < 0){
                maxSubSum = frontierSum;
                left = frontierL;
                right = frontierR;
            }
        }

        //返回最大子数组subList(fromIndex,toIndex)是[fromIndex,toIndex)取值的,所以这里加1
        return list.subList(left,right+1);
    }

    //实现加法运算
    public interface Addition<T> {
        T add(T t1, T t2);
    }
}

测试代码如下:

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        maxSubArray(0);
    }

    private static void maxSubArray(int zero){
        int[] numbers = {13, -3, -25, 20, -3, -16, -23, 18, 20, -7, 12, -22, 15, -4, 7};
        List<Integer> data = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < numbers.length; i++){
            data.add(i,numbers[i]);
        }
        MaxSubArray<Integer> list = new MaxSubArray<>(data, new MaxSubArray.Addition<Integer>() {
            @Override
            public Integer add(Integer t1, Integer t2) {
                return t1 + t2;
            }
        });
        data = list.findMaxSubArray(zero);
        System.out.println("最大子数组如下");
        int sum = 0;
        for (int i : data){
            System.out.print(i+" ");
            sum += i;
        }
        System.out.println("\n其和为:"+sum);
    }
}

运行测试代码,结果如下:

最大子数组如下
18 20 -7 12
其和为:43

### 最大子数组问题的分而治之法 C语言实现 最大子数组问题的目标是找到一个连续子数组,使得该子数组的元素和最大。分而治之算法通过将数组划分为更小的部分来解决这一问题。以下是基于分而治之法的C语言实现。 #### 1. 分而治之的核心思想 分而治之法的核心在于将数组划分为左右两部分,并分别求解以下三种情况的最大子数组- 完全位于左半部分的最大子数组- 完全位于右半部分的最大子数组- 跨越中点的最大子数组。 最终结果为上述三种情况中的最大值[^1]。 #### 2. 跨越中点的最大子数组 跨越中点的最大子数组需要从中间向两边扩展,分别计算左侧和右侧的最大和。具体步骤如下: - 从中间位置向左逐步累加,找到左侧的最大和。 - 从中间位置向右逐步累加,找到右侧的最大和。 - 将左右两侧的最大和相加,得到跨越中点的最大子数组和。 #### 3. C语言实现代码 以下是使用分而治之法解决最大子数组问题的C语言实现: ```c #include <stdio.h> #include <limits.h> // 找到跨越中点的最大子数组 int findMaxCrossingSubarray(int arr[], int low, int mid, int high) { int left_sum = INT_MIN; int sum = 0; for (int i = mid; i >= low; i--) { sum += arr[i]; if (sum > left_sum) { left_sum = sum; } } int right_sum = INT_MIN; sum = 0; for (int j = mid + 1; j <= high; j++) { sum += arr[j]; if (sum > right_sum) { right_sum = sum; } } return left_sum + right_sum; } // 递归求解最大子数组 int findMaximumSubarray(int arr[], int low, int high) { if (high == low) { return arr[low]; // 只有一个元素的情况 } else { int mid = (low + high) / 2; int left_sum = findMaximumSubarray(arr, low, mid); // 左半部分最大子数组 int right_sum = findMaximumSubarray(arr, mid + 1, high); // 右半部分最大子数组 int cross_sum = findMaxCrossingSubarray(arr, low, mid, high); // 跨越中点的最大子数组 if (left_sum >= right_sum && left_sum >= cross_sum) { return left_sum; } else if (right_sum >= left_sum && right_sum >= cross_sum) { return right_sum; } else { return cross_sum; } } } int main() { int arr[] = {-2, 1, -3, 4, -1, 2, 1, -5, 4}; int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); int max_sum = findMaximumSubarray(arr, 0, n - 1); printf("最大子数组的和为: %d\n", max_sum); return 0; } ``` #### 4. 算法分析 上述实现的时间复杂度为 \(O(n \log n)\),其中 \(n\) 是数组的长度。这是因为每次递归调用会将数组划分为两半,同时需要线性时间来计算跨越中点的最大子数组和[^3]。 ---
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