【基础算法】(05)五大常用算法之一：分治算法

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【基础算法】(05)五大常用算法之-分治算法

Auther: Thomas Shen
E-mail: Thomas.shen3904@qq.com
Date: 2017/10/21
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1. 简述：

本系列介绍了五大常用算法，其中本文是第一篇，介绍了 ‘分治算法’ 的细节内容。

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。

2. 算法原理：

2.1 基本思想：

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

2.2 分治法适用的情况：

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。

2.3 分治法的基本步骤：

分治法在每一层递归上都有三个步骤：

1. 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；
2. 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;
3. 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|≤n02. then return(ADHOC(P))3. 将P分解为较小的子问题 P1 ,P2 ,...,Pk4. for i←1 to k5. do yi ← Divide-and-Conquer(Pi) △ 递归解决Pi6. 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。

2.4 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)。

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3. 例题及实现：

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. 归并排序;
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。

3.1 求x的n次幂：

复杂度为 O(lgn) 的分治算法:

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"int power(int x, int n)
{int result;if(n == 1)return x;if( n % 2 == 0)result = power(x, n/2) * power(x, n / 2);elseresult = power(x, (n+1) / 2) * power(x, (n-1) / 2);return result;
}int main()
{int x = 5;

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