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分治算法

2013-10-29|2015阅||

摘要:1.分治法的基本思想 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N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

1.分治法的基本思想

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N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。

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。

如果原问题可分割成k个子问题(1<kn),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。

2.分治法的适用条件

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。

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)求解: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

if |P|≤n0

then return(ADHOCP))

P分解为较小的子问题P1P2、…、Pk

for i←1 to k

do

yi Divide-and-ConquerPi)                   △ 递归解决Pi

T ← MERGEy1y2,…,yk)                          △ 合并子问题

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。ADHOCP)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ADHOCP)求解。

算法MERGEy1y2,…,yk)是该分治法中的合并子算法,用于将P的子问题P1P2、…、Pk的相应的解y1y2、…、yk合并为P的解。

根据分治法的分割原则,原问题应该分为多少个子问题才较适宜?各个子问题的规模应该怎样才为适当?这些问题很难予以肯定的回答。但人们从大量实践中发现,在用分治法设计算法时,最好使子问题的规模大致相同。换句话说,将一个问题分成大小相等的k个子问题的处理方法是行之有效的。许多问题可以取k=2。这种使子问题规模大致相等的做法是出自一种平衡子问题的思想,它几乎总是比子问题规模不等的做法要好。

分治法的合并步骤是算法的关键所在。有些问题的合并方法比较明显,有些问题合并方法比较复杂,或者是有多种合并方案;或者是合并方案不明显。究竟应该怎样合并,没有统一的模式,需要具体问题具体分析。

【问题】循环赛日程表

问题描述:设有n=2k个运动员要进行网球循环赛。设计一个满足以下要求的比赛日程表:

1)每个选手必须与其他n-1个选手各赛一次;

2)每个选手一天只能参赛一次;

3)循环赛在n-1天内结束。

请按此要求将比赛日程表设计成有n行和n-1列的一个表。在表中的第i行,第j列处填入第i个选手在第j天所遇到的选手。其中1in1jn-1

按分治策略,我们可以将所有的选手分为两半,则n个选手的比赛日程表可以通过n/2个选手的比赛日程表来决定。递归地用这种一分为二的策略对选手进行划分,直到只剩下两个选手时,比赛日程表的制定就变得很简单。这时只要让这两个选手进行比赛就可以了。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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1)                       (2)                                        (3

图表示 2个、4个和8个选手的比赛日程表

1所列出的正方形表(3)是8个选手的比赛日程表。其中左上角与左下角的两小块分别为选手1至选手4和选手5至选手83天的比赛日程。据此,将左上角小块中的所有数字按其相对位置抄到右下角,又将左下角小块中的所有数字按其相对位置抄到右上角,这样我们就分别安排好了选手1至选手4和选手5至选手8在后4天的比赛日程。依此思想容易将这个比赛日程表推广到具有任意多个选手的情形。

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