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This commit is contained in:
@@ -5,17 +5,17 @@ status: new
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# 12.2 分治搜索策略
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我们已经学过,搜索算法分为两大类:
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我们已经学过,搜索算法分为两大类。
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- **暴力搜索**:它通过遍历数据结构实现,时间复杂度为 $O(n)$ 。
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- **自适应搜索**:它利用特有的数据组织形式或先验信息,可达到 $O(\log n)$ 甚至 $O(1)$ 的时间复杂度。
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实际上,**时间复杂度为 $O(\log n)$ 的搜索算法通常都是基于分治策略实现的**,例如:
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实际上,**时间复杂度为 $O(\log n)$ 的搜索算法通常都是基于分治策略实现的**,例如二分查找和树。
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- 二分查找的每一步都将问题(在数组中搜索目标元素)分解为一个小问题(在数组的一半中搜索目标元素),这个过程一直持续到数组为空或找到目标元素为止。
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- 树是分治关系的代表,在二叉搜索树、AVL 树、堆等数据结构中,各种操作的时间复杂度皆为 $O(\log n)$ 。
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以二分查找为例:
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二分查找的分治策略如下所示。
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- **问题可以被分解**:二分查找递归地将原问题(在数组中进行查找)分解为子问题(在数组的一半中进行查找),这是通过比较中间元素和目标元素来实现的。
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- **子问题是独立的**:在二分查找中,每轮只处理一个子问题,它不受另外子问题的影响。
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@@ -33,11 +33,11 @@ status: new
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从分治角度,我们将搜索区间 $[i, j]$ 对应的子问题记为 $f(i, j)$ 。
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从原问题 $f(0, n-1)$ 为起始点,二分查找的分治步骤为:
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从原问题 $f(0, n-1)$ 为起始点,通过以下步骤进行二分查找。
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1. 计算搜索区间 $[i, j]$ 的中点 $m$ ,根据它排除一半搜索区间。
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2. 递归求解规模减小一半的子问题,可能为 $f(i, m-1)$ 或 $f(m+1, j)$ 。
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3. 循环第 `1.` , `2.` 步,直至找到 `target` 或区间为空时返回。
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3. 循环第 `1.` 和 `2.` 步,直至找到 `target` 或区间为空时返回。
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图 12-4 展示了在数组中二分查找元素 $6$ 的分治过程。
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@@ -15,7 +15,7 @@ status: new
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### 1. 判断是否为分治问题
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原问题定义为从 `preorder` 和 `inorder` 构建二叉树。我们首先从分治的角度分析这道题:
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原问题定义为从 `preorder` 和 `inorder` 构建二叉树,其是一个典型的分治问题。
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- **问题可以被分解**:从分治的角度切入,我们可以将原问题划分为两个子问题:构建左子树、构建右子树,加上一步操作:初始化根节点。而对于每个子树(子问题),我们仍然可以复用以上划分方法,将其划分为更小的子树(子问题),直至达到最小子问题(空子树)时终止。
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- **子问题是独立的**:左子树和右子树是相互独立的,它们之间没有交集。在构建左子树时,我们只需要关注中序遍历和前序遍历中与左子树对应的部分。右子树同理。
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@@ -23,14 +23,14 @@ status: new
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### 2. 如何划分子树
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根据以上分析,这道题是可以使用分治来求解的,但问题是:**如何通过前序遍历 `preorder` 和中序遍历 `inorder` 来划分左子树和右子树呢**?
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根据以上分析,这道题是可以使用分治来求解的,**但如何通过前序遍历 `preorder` 和中序遍历 `inorder` 来划分左子树和右子树呢**?
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根据定义,`preorder` 和 `inorder` 都可以被划分为三个部分:
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根据定义,`preorder` 和 `inorder` 都可以被划分为三个部分。
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- 前序遍历:`[ 根节点 | 左子树 | 右子树 ]` ,例如图 12-5 的树对应 `[ 3 | 9 | 2 1 7 ]` 。
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- 中序遍历:`[ 左子树 | 根节点 | 右子树 ]` ,例如图 12-5 的树对应 `[ 9 | 3 | 1 2 7 ]` 。
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以上图数据为例,我们可以通过图 12-6 所示的步骤得到划分结果:
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以上图数据为例,我们可以通过图 12-6 所示的步骤得到划分结果。
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1. 前序遍历的首元素 3 是根节点的值。
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2. 查找根节点 3 在 `inorder` 中的索引,利用该索引可将 `inorder` 划分为 `[ 9 | 3 | 1 2 7 ]` 。
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@@ -42,7 +42,7 @@ status: new
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### 3. 基于变量描述子树区间
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根据以上划分方法,**我们已经得到根节点、左子树、右子树在 `preorder` 和 `inorder` 中的索引区间**。而为了描述这些索引区间,我们需要借助几个指针变量:
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根据以上划分方法,**我们已经得到根节点、左子树、右子树在 `preorder` 和 `inorder` 中的索引区间**。而为了描述这些索引区间,我们需要借助几个指针变量。
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- 将当前树的根节点在 `preorder` 中的索引记为 $i$ 。
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- 将当前树的根节点在 `inorder` 中的索引记为 $m$ 。
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@@ -5,12 +5,12 @@ status: new
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# 12.1 分治算法
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「分治 divide and conquer」,全称分而治之,是一种非常重要且常见的算法策略。分治通常基于递归实现,包括“分”和“治”两步:
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「分治 divide and conquer」,全称分而治之,是一种非常重要且常见的算法策略。分治通常基于递归实现,包括“分”和“治”两个步骤。
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1. **分(划分阶段)**:递归地将原问题分解为两个或多个子问题,直至到达最小子问题时终止。
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2. **治(合并阶段)**:从已知解的最小子问题开始,从底至顶地将子问题的解进行合并,从而构建出原问题的解。
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如图 12-1 所示,“归并排序”是分治策略的典型应用之一,其算法原理为:
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如图 12-1 所示,“归并排序”是分治策略的典型应用之一。
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1. **分**:递归地将原数组(原问题)划分为两个子数组(子问题),直到子数组只剩一个元素(最小子问题)。
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2. **治**:从底至顶地将有序的子数组(子问题的解)进行合并,从而得到有序的原数组(原问题的解)。
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@@ -21,17 +21,17 @@ status: new
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## 12.1.1 如何判断分治问题
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一个问题是否适合使用分治解决,通常可以参考以下几个判断依据:
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一个问题是否适合使用分治解决,通常可以参考以下几个判断依据。
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1. **问题可以被分解**:原问题可以被分解成规模更小、类似的子问题,以及能够以相同方式递归地进行划分。
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2. **子问题是独立的**:子问题之间是没有重叠的,互相没有依赖,可以被独立解决。
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3. **子问题的解可以被合并**:原问题的解通过合并子问题的解得来。
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显然归并排序,满足以上三条判断依据:
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显然,归并排序是满足以上三条判断依据的。
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1. 递归地将数组(原问题)划分为两个子数组(子问题)。
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2. 每个子数组都可以独立地进行排序(子问题可以独立进行求解)。
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3. 两个有序子数组(子问题的解)可以被合并为一个有序数组(原问题的解)。
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1. **问题可以被分解**:递归地将数组(原问题)划分为两个子数组(子问题)。
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2. **子问题是独立的**:每个子数组都可以独立地进行排序(子问题可以独立进行求解)。
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3. **子问题的解可以被合并**:两个有序子数组(子问题的解)可以被合并为一个有序数组(原问题的解)。
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## 12.1.2 通过分治提升效率
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@@ -81,7 +81,7 @@ $$
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## 12.1.3 分治常见应用
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一方面,分治可以用来解决许多经典算法问题:
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一方面,分治可以用来解决许多经典算法问题。
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- **寻找最近点对**:该算法首先将点集分成两部分,然后分别找出两部分中的最近点对,最后再找出跨越两部分的最近点对。
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- **大整数乘法**:例如 Karatsuba 算法,它是将大整数乘法分解为几个较小的整数的乘法和加法。
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@@ -89,7 +89,7 @@ $$
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- **汉诺塔问题**:汉诺塔问题可以视为典型的分治策略,通过递归解决。
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- **求解逆序对**:在一个序列中,如果前面的数字大于后面的数字,那么这两个数字构成一个逆序对。求解逆序对问题可以通过分治的思想,借助归并排序进行求解。
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另一方面,分治在算法和数据结构的设计中应用非常广泛,举几个已经学过的例子:
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另一方面,分治在算法和数据结构的设计中应用非常广泛。
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- **二分查找**:二分查找是将有序数组从中点索引分为两部分,然后根据目标值与中间元素值比较结果,决定排除哪一半区间,然后在剩余区间执行相同的二分操作。
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- **归并排序**:文章开头已介绍,不再赘述。
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@@ -9,7 +9,7 @@ status: new
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!!! question
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给定三根柱子,记为 `A` , `B` , `C` 。起始状态下,柱子 `A` 上套着 $n$ 个圆盘,它们从上到下按照从小到大的顺序排列。我们的任务是要把这 $n$ 个圆盘移到柱子 `C` 上,并保持它们的原有顺序不变。在移动圆盘的过程中,需要遵守以下规则:
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给定三根柱子,记为 `A`、`B` 和 `C` 。起始状态下,柱子 `A` 上套着 $n$ 个圆盘,它们从上到下按照从小到大的顺序排列。我们的任务是要把这 $n$ 个圆盘移到柱子 `C` 上,并保持它们的原有顺序不变。在移动圆盘的过程中,需要遵守以下规则。
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1. 圆盘只能从一个柱子顶部拿出,从另一个柱子顶部放入。
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2. 每次只能移动一个圆盘。
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@@ -81,7 +81,7 @@ status: new
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本质上看,**我们将问题 $f(3)$ 划分为两个子问题 $f(2)$ 和子问题 $f(1)$** 。按顺序解决这三个子问题之后,原问题随之得到解决。这说明子问题是独立的,而且解是可以合并的。
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至此,我们可总结出图 12-13 所示的汉诺塔问题的分治策略:将原问题 $f(n)$ 划分为两个子问题 $f(n-1)$ 和一个子问题 $f(1)$ 。子问题的解决顺序为:
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至此,我们可总结出图 12-13 所示的汉诺塔问题的分治策略:将原问题 $f(n)$ 划分为两个子问题 $f(n-1)$ 和一个子问题 $f(1)$ ,并按照以下顺序解决这三个子问题。
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1. 将 $n-1$ 个圆盘借助 `C` 从 `A` 移至 `B` 。
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2. 将剩余 $1$ 个圆盘从 `A` 直接移至 `C` 。
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