算法题搜索类问题

42.Algorithm Gossip: 循序搜寻法（使用卫兵）

说明

搜寻的目的，是在「已排序的资料」中寻找指定的资料，而当中循序搜寻是最基本的搜寻法，只要从资料开头寻找到最后，看看是否找到资料即可。

解法

初学者看到循序搜寻，多数都会使用以下的方式来进行搜寻：

while(i < MAX) {

if(number[i] == k) {

printf("找到指定值");

break;

}

i++;

}

这个方法基本上没有错，但是可以加以改善，可以利用设定卫兵的方式，省去if判断式，卫兵通常设定在数列最后或是最前方，假设设定在列前方好了（索引0的位置），我们从数列后方向前找，如果找到指定的资料时，其索引值不是0，表示在数列走访完之前就找到了，在程序的撰写上，只要使用一个while回圈就可 以了。

下面的程序为了配合卫兵的设置，自行使用快速排序法先将产生的数列排序，然后才进行搜寻，若只是数字的话，通常您可以使用程序语言函式库所提供的搜寻函式。

#include <cstdio> 
#include <cstdlib> 
#include <ctime> 
#define MAX 10 
#define SWAP(x,y) {int t; t = x; x = y; y = t;} 
int search(int[]); 
int partition(int[], int, int); 
void quicksort(int[], int, int); 
int main(void) { 
    int number[MAX+1] = {0}; 
    int i, find; 
    srand(time(NULL)); 
    for(i = 1; i <= MAX; i++) 
        number[i] = rand() % 100; 
    quicksort(number, 1, MAX); 
    printf("数列："); 
    for(i = 1; i <= MAX; i++) 
        printf("%d ", number[i]); 
    printf("\n输入搜寻值："); 
    scanf("%d", &number[0]); 
    if(find = search(number)) 
        printf("\n找到数值于索引 %d ", find); 
    else 
        printf("\n找不到数值"); 
    printf("\n"); 
    return 0; 
} 
int search(int number[]) { 
    int i, k; 
    k = number[0]; 
    i = MAX; 
    while(number[i] != k) 
        i--; 
    return i; 
} 
int partition(int number[], int left, int right) { 
    int i, j, s; 
    s = number[right]; 
    i = left - 1; 
    for(j = left; j < right; j++) { 
        if(number[j] <= s) { 
            i++; 
            SWAP(number[i], number[j]); 
        } 
    } 
    SWAP(number[i+1], number[right]); 
    return i+1; 
} 
void quicksort(int number[], int left, int right) { 
    int q; 
    if(left < right) { 
        q = partition(number, left, right); 
        quicksort(number, left, q-1); 
        quicksort(number, q+1, right); 
    } 
}

43.Algorithm Gossip: 二分搜寻法（搜寻原则的代表）

说明如果搜寻的数列已经有排序，应该尽量利用它们已排序的特性，以减少搜寻比对的次数，这是搜寻的基本原则，二分搜寻法是这个基本原则的代表。

解法在二分搜寻法中，从数列的中间开始搜寻，如果这个数小于我们所搜寻的数，由于数列已排序，则该数左边的数一定都小于要搜寻的对象，所以无需浪费时间在左边的数；如果搜寻的数大于所搜寻的对象，则右边的数无需再搜寻，直接搜寻左边的数。

所以在二分搜寻法中，将数列不断的分为两个部份，每次从分割的部份中取中间数比对，例如要搜寻92于以下的数列，首先中间数索引为(0+9)/2 = 4（索引由0开始）：

[3 24 57 57 67 68 83 90 92 95]

由于67小于92，所以转搜寻右边的数列：

3 24 57 57 67 [68 83 90 92 95]

由于90小于92，再搜寻右边的数列，这次就找到所要的数了：

3 24 57 57 67 68 83 90 [92 95]

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <time.h> 
#define MAX 10 
#define SWAP(x,y) {int t; t = x; x = y; y = t;} 
void quicksort(int[], int, int); 
int bisearch(int[], int); 
int main(void) { 
    int number[MAX] = {0}; 
    int i, find; 
    srand(time(NULL)); 
    for(i = 0; i < MAX; i++) { 
        number[i] = rand() % 100; 
    } 
    quicksort(number, 0, MAX-1); 
    printf("数列："); 
    for(i = 0; i < MAX; i++) 
        printf("%d ", number[i]); 
    printf("\n输入寻找对象："); 
    scanf("%d", &find); 
    if((i = bisearch(number, find)) >= 0) 
        printf("找到数字于索引 %d ", i); 
    else 
        printf("\n找不到指定数"); 
    printf("\n"); 
    return 0; 
} 
int bisearch(int number[], int find) { 
    int low, mid, upper; 
    low = 0; 
    upper = MAX - 1; 
    while(low <= upper) { 
        mid = (low+upper) / 2; 
        if(number[mid] < find) 
            low = mid+1; 
        else if(number[mid] > find) 
            upper = mid - 1; 
        else 
            return mid; 
    } 
    return -1; 
} 
void quicksort(int number[], int left, int right) { 
    int i, j, k, s; 
    if(left < right) { 
        s = number[(left+right)/2]; 
        i = left - 1; 
        j = right + 1; 
        while(1) { 
            while(number[++i] < s) ; // 向右找
            while(number[--j] > s) ; // 向左找
            if(i >= j) 
                break; 
            SWAP(number[i], number[j]); 
        } 
        quicksort(number, left, i-1); // 对左边进行递回
        quicksort(number, j+1, right); // 对右边进行递回
    } 
}

44.Algorithm Gossip: 插补搜寻法

说明

如果却搜寻的资料分布平均的话，可以使用插补（Interpolation）搜寻法来进行搜寻，在搜寻的对象大于500时，插补搜寻法会比 二分搜寻法 来的快速。

解法

插补搜寻法是以资料分布的近似直线来作比例运算，以求出中间的索引并进行资料比对，如果取出的值小于要寻找的值，则提高下界，如果取出的值大于要寻找的 值，则降低下界，如此不断的减少搜寻的范围，所以其本原则与二分搜寻法是相同的，至于中间值的寻找是透过比例运算，如下所示，其中K是指定要寻找的对象， 而m则是可能的索引值：

代码:

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <time.h> 
#define MAX 10 
#define SWAP(x,y) {int t; t = x; x = y; y = t;} 
void quicksort(int[], int, int); 
int intsrch(int[], int); 
int main(void) { 
    int number[MAX] = {0}; 
    int i, find; 
    srand(time(NULL)); 
    for(i = 0; i < MAX; i++) { 
        number[i] = rand() % 100; 
    } 
    quicksort(number, 0, MAX-1); 
    printf("数列："); 
    for(i = 0; i < MAX; i++) 
        printf("%d ", number[i]); 
    printf("\n输入寻找对象："); 
    scanf("%d", &find); 
    if((i = intsrch(number, find)) >= 0) 
        printf("找到数字于索引 %d ", i); 
    else 
        printf("\n找不到指定数"); 
    printf("\n"); 
    return 0; 
} 
int intsrch(int number[], int find) { 
    int low, mid, upper; 
    low = 0; 
    upper = MAX - 1; 
    while(low <= upper) { 
        mid = (upper-low)* 
            (find-number[low])/(number[upper]-number[low]) 
            + low; 
        if(mid < low || mid > upper) 
            return -1; 
        if(find < number[mid]) 
            upper = mid - 1; 
        else if(find > number[mid]) 
            low = mid + 1; 
        else 
            return mid; 
    } 
    return -1;
} 
void quicksort(int number[], int left, int right) { 
    int i, j, k, s; 
    if(left < right) { 
        s = number[(left+right)/2]; 
        i = left - 1; 
        j = right + 1; 
        while(1) { 
            while(number[++i] < s) ; // 向右找
            while(number[--j] > s) ; // 向左找
            if(i >= j) 
                break; 
            SWAP(number[i], number[j]); 
        } 
        quicksort(number, left, i-1); // 对左边进行递回
        quicksort(number, j+1, right); // 对右边进行递回
    } 
}

45.Algorithm Gossip: 费氏搜寻法

说明

二分搜寻法每次搜寻时，都会将搜寻区间分为一半，所以其搜寻时间为O(log(2)n)，log(2)表示以2为底的log值，这边要介绍的费氏搜寻，其利用费氏数列作为间隔来搜寻下一个数，所以区间收敛的速度更快，搜寻时间为O(logn)。

解法

费氏搜寻使用费氏数列来决定下一个数的搜寻位置，所以必须先制作费氏数列，这在之前有提过；费氏搜寻会先透过公式计算求出第一个要搜寻数的位置，以及其代表的费氏数，以搜寻对象10个数字来说，第一个费氏数经计算后一定是F5，而第一个要搜寻的位置有两个可能，例如若在下面的数列搜寻的话（为了计算方便， 通常会将索引0订作无限小的数，而数列由索引1开始）：

-infin; 1 3 5 7 9 13 15 17 19 20

如果要搜寻5的话，则由索引F5 = 5开始搜寻，接下来如果数列中的数小于指定搜寻值时，就往左找，大于时就向右，每次找的间隔是F4、F3、F2来寻找，当费氏数为0时还没找到，就表示寻找失败，如下所示：

由于第一个搜寻值索引F5 = 5处的值小于19，所以此时必须对齐数列右方，也就是将第一个搜寻值的索引改为F5+2 = 7，然后如同上述的方式进行搜寻，如下所示：

至于第一个搜寻值是如何找到的？我们可以由以下这个公式来求得，其中n为搜寻对象的个数：

Fx + m = n

Fx <= n

也就是说Fx必须找到不大于n的费氏数，以10个搜寻对象来说：

Fx + m = 10

取Fx = 8, m = 2，所以我们可以对照费氏数列得x = 6，然而第一个数的可能位置之一并不是F6，而是第x-1的费氏数，也就是F5 = 5。

如果数列number在索引5处的值小于指定的搜寻值，则第一个搜寻位置就是索引5的位置，如果大于指定的搜寻值，则第一个搜寻位置必须加上m，也就是F5 + m = 5 + 2 = 7，也就是索引7的位置，其实加上m的原因，是为了要让下一个搜寻值刚好是数列的最后一个位置。

费氏搜寻看来难懂，但只要掌握Fx + m = n这个公式，自己找几个实例算一次，很容易就可以理解；费氏搜寻除了收敛快速之外，由于其本身只会使用到加法与减法，在运算上也可以加快。

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <time.h> 
#define MAX 15 
#define SWAP(x,y) {int t; t = x; x = y; y = t;} 
void createfib(void); // 建立费氏数列
int findx(int); // 找x值
int fibsearch(int[], int); // 费氏搜寻
void quicksort(int[], int, int); // 快速排序
int Fib[MAX] = {-999}; 
int main(void) { 
    int number[MAX] = {0}; 
    int i, find; 
    srand(time(NULL)); 
    for(i = 1; i <= MAX; i++) { 
        number[i] = rand() % 100; 
    } 
    quicksort(number, 1, MAX); 
    printf("数列："); 
    for(i = 1; i <= MAX; i++) 
        printf("%d ", number[i]); 
    printf("\n输入寻找对象："); 
    scanf("%d", &find); 
    if((i = fibsearch(number, find)) >= 0) 
        printf("找到数字于索引 %d ", i); 
    else 
        printf("\n找不到指定数"); 
    printf("\n"); 
    return 0; 
} 
// 建立费氏数列
void createfib(void) { 
    int i; 
    Fib[0] = 0; 
    Fib[1] = 1; 
    for(i = 2; i < MAX; i++) 
        Fib[i] = Fib[i-1] + Fib[i-2]; 
} 
// 找 x 值
int findx(int n) { 
    int i = 0; 
    while(Fib[i] <= n) 
        i++; 
    i--; 
    return i; 
} 
// 费式搜寻
int fibsearch(int number[], int find) { 
    int i, x, m; 
    createfib(); 
    x = findx(MAX+1); 
    m = MAX - Fib[x]; 
    printf("\nx = %d, m = %d, Fib[x] = %d\n\n", 
            x, m, Fib[x]); 
    x--; 
    i = x; 
    if(number[i] < find) 
        i += m; 
    while(Fib[x] > 0) { 
        if(number[i] < find) 
            i += Fib[--x]; 
        else if(number[i] > find) 
            i -= Fib[--x]; 
        else 
            return i; 
    } 
    return -1; 
} 
void quicksort(int number[], int left, int right) { 
    int i, j, k, s; 
    if(left < right) { 
        s = number[(left+right)/2]; 
        i = left - 1; 
        j = right + 1; 
        while(1) { 
            while(number[++i] < s) ; // 向右找
            while(number[--j] > s) ; // 向左找
            if(i >= j) 
                break; 
            SWAP(number[i], number[j]); 
        } 
        quicksort(number, left, i-1); // 对左边进行递回
        quicksort(number, j+1, right); // 对右边进行递回
    } 
}