分治算法例子集锦

描述:

两部分组成

分(divide):递归解决较小的问题
治(conquer):然后从子问题的解构建原问题的解

三个步骤

1、分解(Divide):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;
2、解决(Conquer):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;
3、合并(Combine):将各个子问题的解合并为原问题的解。

四个适用条件

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。
(上述的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。)

伪代码表示

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

### 分治算法经典示例 #### 归并排序 归并排序是一个典型的分治算法应用实例。该方法遵循分治法的基本思想,即先将数组分成两半分别进行排序,再把两个有序的部分合并成一个完整的有序序列。 ```python def merge_sort(arr): if len(arr) <= 1: return arr mid = len(arr) // 2 left_half = merge_sort(arr[:mid]) right_half = merge_sort(arr[mid:]) return merge(left_half, right_half) def merge(left, right): sorted_list = [] i = j = 0 while i < len(left) and j < len(right): if left[i] < right[j]: sorted_list.append(left[i]) i += 1 else: sorted_list.append(right[j]) j += 1 sorted_list.extend(left[i:]) sorted_list.extend(right[j:]) return sorted_list ``` 此实现展示了如何通过递归来分割输入直到单个元素,之后逐步组合这些部分以形成完全排序的结果[^3]。 #### 汉诺塔问题 (Tower of Hanoi) 另一个著名的例子就是汉诺塔问题。这个问题的目标是在遵守特定规则的情况下移动一组不同大小的圆盘从一根柱子到另一根柱子上。解决方案同样基于分治策略——每次只处理最上面的一个较小规模的问题,并假设其他部分已经被正确解决了。 ```python def hanoi(n, source, auxiliary, target): if n == 1: print(f"Move disk from {source} to {target}") return hanoi(n - 1, source, target, auxiliary) print(f"Move disk from {source} to {target}") hanoi(n - 1, auxiliary, source, target) ``` 这段代码定义了一个函数`hanoi()`用于打印每一步操作,它接收四个参数:要移动的磁盘数量n以及源peg、辅助peg和目标peg的名字字符串。当只剩下一个磁盘时直接将其移至目的地;否则就按照分治原则执行相应的动作[^2]。
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