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  • 分治策略

    选择问题最常见的问题有:

    1.1选最大

    选择算法
    统一描述:设L是n个算法的集合,从L中选出第k小的元素,1<=k<=n,当L中元素按从小到大排好序后,排在第k个位置的数,就是第k小的数。
    下面介绍 顺序比较法
    算法Findmax
    输入:n个数的数组L
    输出:max,k

    max <- L[1]; k <- 1
    for i <- 2 to n do      //for循环执行n-1次
        if max < L[i]
        then max <- L[i]
             k <- i
    return max, k
    

    算法Findmax第二行,for循环执行n-1次,所以 (W(n)=n-1)
    这个算法是选最大问题在时间上最优的算法(对于选最小问题,只需对算法稍加改动,就可以得到顺序比较的Findmin算法)

    1.2同时选最大和最小的算法

    设计思想:先选最大,然后把最大的从L中删除,接着选最小。
    算法:(利用Findmax和Findmin)
    输入:n个数的数组L
    输出:max,min

    if n=1 then return L[1]作为max和min
    else Findmax
        从L中删除max
        Findmin
    

    算法执行的比较次数:(W(n)=n-1+n-2=2n-3)

    分组比赛的方法
    基本思想:首先将L中的元素两两一组,分成(lfloor n/2 floor)组(当n是奇数时有一个元素轮空)。每组中的2个元素进行比较,得到组内较大和较少数,把至多(lfloor n/2 floor + 1)(当n为奇数时,把被轮空的元素加进来)个小组中较大的元素放在一起,运行Findmax,得到L中的最大元素,同理得到L中的最小元素。
    算法FindMaxMin

    将n个元素两两一组分成n/2(下取整)组
    每组比较,得到n/2(下取整)个较小和n/2(下取整)个较大的数      //比较n/2(下取整)次
    在n/2(下取整)个(n为奇数时,是n/2(下取整)+1)较小中找最小min
    在n/2(下取整)个(n为奇数时,是n/2(下取整)+1)较大中找最大max
    

    行3和行4都执行(lceil n/2 ceil -1)
    所以(W(n)=lfloor n/2 floor +2 lceil n/2 ceil-2=n+lceil n/2 ceil-2=lceil 3n/2 ceil-2)
    此算法效率更高,是所有同时找最大和最小算法中事件复杂度最低的算法。

    1.3找第二大

    2次调用Findmax算法
    (W(n)=n-1+n-2=2n-3)

    锦标赛算法
    把数组中的元素两两一组,划分为(lfloor n/2 floor)组(n为奇数时1个元素轮空),每组组内两个元素比大小,大的进入下一轮(n为奇数时,轮空的元素也进入下一轮)。
    所以下一轮有(lceil n/2 ceil)个元素。继续每组组内比大小,然后大的进入下一轮,直至找出max。筛掉(n-1)个元素,比较(n-1)次。

    找第二大,不可能再用Findmax了,如果用Findmax,就又比较n-2次了,和上面的算法两次调用Findmax一样。
    所以,我们可以利用找max时比较所产生的记录帮我们减少比较次数。在比赛前为每个元素设定一个指针,指向一个链表,把比较后比它小的元素都记录进它的链表中,找出max后,在max的链表中用Findmax找出整个数组第二大的元素。
    算法FindSecond
    输入:n个数的数组L
    输出:second

    k <- n
    将k个元素两两一组,分成k/2(下取整)组
    每组的两个数比较,找到较大的
    将被淘汰的较小的数在淘汰它的数所指向的链表中做记录
    if k为奇数 then k <- k/2(下取整)+1
               else k <- k/2(下取整)
    if k>1 then goto 2
    max <- 剩下的一个数
    second <- max的链表中的最大
    

    此时,第一轮两两比较的比较次数是(n-1),但还不知道max的链表中有多少个元素,
    所以接下来求解max所淘汰掉的元素个数(这部分的工作量)
    设本轮参与比较的有(t)个元素,经过分组淘汰后进入下一轮的元素数至多是(lceil t/2 ceil),下下一轮就是(lceil lceil t/2 ceil /2 ceil = lceil t/2^2 ceil)
    假设k轮淘汰后只剩max,则(lceil n/2^k ceil = 1).
    (n=2^d),那么(k=d=logn=lceil logn ceil)
    所以max进行了(d)次比较,(W(n)=n-1+lceil logn ceil)
    对于找第二大的问题,算法Findmax是时间复杂度最低的算法。

    上面,我们只讨论了一些特例情况,基本上使用顺序比较或分组比较的方法,没有明确的分治算法的特征。下面考虑一般性的选第k小问题的算法,用到分治策略。

    2选第k小

    输入:数组S,S的长度n,正整数k,1<=k<=n
    输出:第k小的数
    选第k小,可以使用排序算法,从小到大排好序后,选择第k个即可,最好的排序算法的时间复杂度是(O(nlogn))
    下面考虑性能更好的分治算法,就是(O(n))时间的算法,方便起见,假设数组S中元素彼此不等。
    以S中的某个元素(m^*)作为划分标准,将S划分为两个子数组S1和S2,把这个数组中比(m^*)小的都放入(S_1)的数组中,数组(S_1)的元素个数是(|S_1|)个;把这个数组中比(m^*)大的都放入(S_2)的数组中,数组(S_2)的元素个数是(|S_2|)个。

    • (k<|S_1|),则原问题归纳为在数组(S_1)中找第(k)小的子问题。
    • (k=|S_1|+1),则(m^*)就是要找的第(k)小元素。
    • (k>|S_1|+1),则原问题归纳为在数组(S_2)中找第(n-|S_1|-1)小的子问题。
      算法的关键是如何确定这个划分(S)的标准(m^*),它要具有以下 特征
    1. 寻找(m^*)的时间代价不能高于(O(nlogn)),如果直接寻找(m^*),时间应是(O(n))。设选择算法的时间复杂度为(T(n)),递归调用这个算法在(S)上的一个真子集M上寻找(m^*),应该使用(T(cn))时间((c<1),反映(M)的规模小于(S)
    2. 通过(m^*)划分的两个子问题的大小分别记作(|S_1|)(|S_2|),每次递归调用时,子问题规模与原问题规模(n)的比都不超过(d)(d<1)),调用时间(T(dn)),并且应保证(c+d<1),否则方程(T(n)=T(cn)+T(dn)+O(n))的解不会达到(O(n))
      下面的分治算法采用递归调用的方法寻找(m^*),先将(S)分组,5个元素一组,共分成(lceil n/5 ceil)个组。在每组中取中位数,把这(lceil n/5 ceil)个中位数放入集合(M)中,然后使用选择算法选出集合(M)中的中位数(m^*)。这次递归调用的子问题规模是原问题规模的(1/5),(1/5)即为上文的特征(1)的(c)
      算法Select(S,k)
      输入:数组S,S的长度n,正整数k,1<=k<=n
      输出:第k小的数
    将S划分成5个一组,共n/5(上取整)个组
    每组中找一个中位数,把这些中位数放到集合M中
    m* <- Select(M,|M|/2)                  //选M中的中位数m*,将S中的数组划分成A,B,C,D四个集合
    把A和D中的每个元素与m*比较,小的构成S1,大的构成S2
    S1 <- S1并C ; S2 <- S2并B
    if k=|S1|+1 then 输出m*
    else if k<=|S1|
        then Select(S1,k)
        else Select(S2,k-|S1|-1)
    

    image
    左下方的集合(C)中所以元素全部小于(m^*),右上角的集合B中的所有元素全部大于(m^*)。仅仅对于(A)(D)中的元素,我们不能确定它们是否大于或小于(m^*),所以在算法的行4加以比较,完成(S1)(S2)的划分。
    下面分析时间复杂度
    假设n是5的倍数,且(n/5是奇数),即(n/5=2r+1)
    所以(|A|=|D|=2r)(|B|=|C|=3r+2)(n=10r+5)
    若A,D的元素都小于(m^*),那么它们都加入至S1中,且下一步算法又在这个子问题上递归调用,这对应了归约后子问题的规模的上界,也正好是时间复杂度最坏的情况。类似的,如果A,D的元素都大于(m^*),也会出现类似的情况。
    以前者为例时,子问题的大小是
    (|A|+|C|+|D|=7r+2=7frac{n-5}{10}+2=7frac{n}{10}-1.5<frac{7n}{10})
    上式表明子问题规模最大不超过原问题的(7/10),这个参数(7/10)就是前文特征(2)中的(d)
    所以最坏情况下的时间复杂度的递推式:
    (W(n)<=W(frac{n}{5})+W(frac{7n}{10})+cn)
    image
    image

    [egin{aligned} W(n) & <= tn+0.9tn+0.9^2 tn+... \ & = tn(1+0.9+0.9^2+...) \ & = O(n) end{aligned} ]

    所以从上面的分析可以看出,这样找的(m^*)完全满足算法要求,两次递归调用的参数分别是(c=0.2)(d=0.7)(c+d=0.9<1)
    所以Select算法可以把时间复杂度降至线性时间。
    分组时也可以选(3)个或(7)个元素,元素数的改变可能会改变(m^*)的特征,从而使得针对某些分组方法得到的(c+d)的值不再小于(1),这就会增加运算时间。

    求解选择问题的时间复杂度最低的算法就是O(n)时间的算法!

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