算法的定义
算法(Algorithm)是一系列解决问题的清晰指令,也就是说,能够对一定规范的输入,在有限时间内获得所要求的输出。如果一个算法有缺陷,或不适合于某个问题,执行这个算法将不会解决这个问题。不同的算法可能用不同的时间、空间或效率么容易处理了。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。
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。
分治法所能解决的问题一般具有以下几个特征:
;
,即该问题具有最优子结构性质。
;
,即子问题之间不包含公共的子问题。
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。
分治法的运用关键在于解决三个问题:
l确定分治规则,即如何分解问题。
l确定终结条件,即问题分解到什么状态时可以直接求解。
l确定归纳方法,即如何由子问题的解得到原问题的解。这一步并不总是需要的,因为对某些问题来说,并不需要对子问题的解进行复杂的归纳。
动态规划法多用来计算最优问题,动态规划法与分治法的基本思想是一致的,但处理的手法不同。动态规划法在运用时,要先对问题的分治规律进行分析,找出终结子问题,以及子问题向父问题归纳的规则,而算法则直接从终结子问题开始求解,逐层向上归纳,直到归纳出原问题的解。
动态规划法多用于在分治过程中,子问题可能重复出现的情况,在这种情况下,如果按照常规的分治法,自上向下分治求解,则重复出现的子问题就会被重复地求解,从而增大了冗余计算量,降低了求解效率。而采用动态规划法,自底向上求解,每个子问题只计算一次,就可以避免这种重复的求解了。
动态规划法还有另外一种实现形式,即备忘录法。备忘录的基本思想是设立一个称为备忘录的容器,记录已经求得解
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