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synced 2025-07-29 21:33:07 +08:00
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This commit is contained in:
@ -3438,7 +3438,7 @@
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<p>下图展示了在数组中二分查找元素 <span class="arithmatex">\(6\)</span> 的分治过程。</p>
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<p><img alt="二分查找的分治过程" src="../binary_search_recur.assets/binary_search_recur.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 二分查找的分治过程 </p>
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<p align="center"> 图:二分查找的分治过程 </p>
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<p>在实现代码中,我们声明一个递归函数 <code>dfs()</code> 来求解问题 <span class="arithmatex">\(f(i, j)\)</span> 。</p>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="1:12"><input checked="checked" id="__tabbed_1_1" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_2" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_3" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_4" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_5" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_6" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_7" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_8" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_9" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_10" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_11" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_12" name="__tabbed_1" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_1_1">Java</label><label for="__tabbed_1_2">C++</label><label for="__tabbed_1_3">Python</label><label for="__tabbed_1_4">Go</label><label for="__tabbed_1_5">JS</label><label for="__tabbed_1_6">TS</label><label for="__tabbed_1_7">C</label><label for="__tabbed_1_8">C#</label><label for="__tabbed_1_9">Swift</label><label for="__tabbed_1_10">Zig</label><label for="__tabbed_1_11">Dart</label><label for="__tabbed_1_12">Rust</label></div>
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@ -3453,7 +3453,7 @@
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<p>给定一个二叉树的前序遍历 <code>preorder</code> 和中序遍历 <code>inorder</code> ,请从中构建二叉树,返回二叉树的根节点。</p>
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</div>
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<p><img alt="构建二叉树的示例数据" src="../build_binary_tree_problem.assets/build_tree_example.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 构建二叉树的示例数据 </p>
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<p align="center"> 图:构建二叉树的示例数据 </p>
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<h3 id="_1">判断是否为分治问题<a class="headerlink" href="#_1" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>原问题定义为从 <code>preorder</code> 和 <code>inorder</code> 构建二叉树。我们首先从分治的角度分析这道题:</p>
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@ -3476,7 +3476,7 @@
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<li>根据 <code>inorder</code> 划分结果,易得左子树和右子树的节点数量分别为 1 和 3 ,从而可将 <code>preorder</code> 划分为 <code>[ 3 | 9 | 2 1 7 ]</code> 。</li>
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</ol>
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<p><img alt="在前序和中序遍历中划分子树" src="../build_binary_tree_problem.assets/build_tree_preorder_inorder_division.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 在前序和中序遍历中划分子树 </p>
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<p align="center"> 图:在前序和中序遍历中划分子树 </p>
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<h3 id="_3">基于变量描述子树区间<a class="headerlink" href="#_3" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>根据以上划分方法,<strong>我们已经得到根节点、左子树、右子树在 <code>preorder</code> 和 <code>inorder</code> 中的索引区间</strong>。而为了描述这些索引区间,我们需要借助几个指针变量:</p>
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@ -3516,7 +3516,7 @@
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</div>
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<p>请注意,右子树根节点索引中的 <span class="arithmatex">\((m-l)\)</span> 的含义是“左子树的节点数量”,建议配合下图理解。</p>
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<p><img alt="根节点和左右子树的索引区间表示" src="../build_binary_tree_problem.assets/build_tree_division_pointers.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 根节点和左右子树的索引区间表示 </p>
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<p align="center"> 图:根节点和左右子树的索引区间表示 </p>
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<h3 id="_4">代码实现<a class="headerlink" href="#_4" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>为了提升查询 <span class="arithmatex">\(m\)</span> 的效率,我们借助一个哈希表 <code>hmap</code> 来存储数组 <code>inorder</code> 中元素到索引的映射。</p>
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@ -3863,6 +3863,8 @@
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</div>
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<p align="center"> 图:构建二叉树的递归过程 </p>
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<p>设树的节点数量为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,初始化每一个节点(执行一个递归函数 <code>dfs()</code> )使用 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> 时间。<strong>因此总体时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span></strong> 。</p>
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<p>哈希表存储 <code>inorder</code> 元素到索引的映射,空间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 。最差情况下,即二叉树退化为链表时,递归深度达到 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,使用 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 的栈帧空间。<strong>因此总体空间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span></strong> 。</p>
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@ -3485,7 +3485,7 @@
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<li><strong>治</strong>: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)。</li>
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</ol>
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<p><img alt="归并排序的分治策略" src="../divide_and_conquer.assets/divide_and_conquer_merge_sort.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 归并排序的分治策略 </p>
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<p align="center"> 图:归并排序的分治策略 </p>
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<h2 id="1211">12.1.1. 如何判断分治问题<a class="headerlink" href="#1211" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>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:</p>
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@ -3509,7 +3509,7 @@
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O(n + (\frac{n}{2})^2 \times 2 + n) = O(\frac{n^2}{2} + 2n)
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\]</div>
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<p><img alt="划分数组前后的冒泡排序" src="../divide_and_conquer.assets/divide_and_conquer_bubble_sort.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 划分数组前后的冒泡排序 </p>
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<p align="center"> 图:划分数组前后的冒泡排序 </p>
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<p>接下来,我们计算以下不等式,其左边和右边分别为划分前和划分后的操作总数:</p>
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<div class="arithmatex">\[
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@ -3527,7 +3527,7 @@ n(n - 4) & > 0
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<p>并行优化在多核或多处理器的环境中尤其有效,因为系统可以同时处理多个子问题,更加充分地利用计算资源,从而显著减少总体的运行时间。</p>
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<p>比如在桶排序中,我们将海量的数据平均分配到各个桶中,则可所有桶的排序任务分散到各个计算单元,完成后再进行结果合并。</p>
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<p><img alt="桶排序的并行计算" src="../divide_and_conquer.assets/divide_and_conquer_parallel_computing.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 桶排序的并行计算 </p>
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<p align="center"> 图:桶排序的并行计算 </p>
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<h2 id="1213">12.1.3. 分治常见应用<a class="headerlink" href="#1213" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>一方面,分治可以用来解决许多经典算法问题:</p>
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@ -3445,7 +3445,7 @@
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</ol>
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</div>
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<p><img alt="汉诺塔问题示例" src="../hanota_problem.assets/hanota_example.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 汉诺塔问题示例 </p>
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<p align="center"> 图:汉诺塔问题示例 </p>
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<p><strong>我们将规模为 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 的汉诺塔问题记做 <span class="arithmatex">\(f(i)\)</span></strong> 。例如 <span class="arithmatex">\(f(3)\)</span> 代表将 <span class="arithmatex">\(3\)</span> 个圆盘从 <code>A</code> 移动至 <code>C</code> 的汉诺塔问题。</p>
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<h3 id="_1">考虑基本情况<a class="headerlink" href="#_1" title="Permanent link">¶</a></h3>
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@ -3460,6 +3460,8 @@
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</div>
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</div>
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<p align="center"> 图:规模为 1 问题的解 </p>
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<p>对于问题 <span class="arithmatex">\(f(2)\)</span> ,即当有两个圆盘时,<strong>由于要时刻满足小圆盘在大圆盘之上,因此需要借助 <code>B</code> 来完成移动</strong>,包括三步:</p>
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<li>先将上面的小圆盘从 <code>A</code> 移至 <code>B</code> 。</li>
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@ -3483,6 +3485,8 @@
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<p align="center"> 图:规模为 2 问题的解 </p>
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<h3 id="_2">子问题分解<a class="headerlink" href="#_2" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>对于问题 <span class="arithmatex">\(f(3)\)</span> ,即当有三个圆盘时,情况变得稍微复杂了一些。由于已知 <span class="arithmatex">\(f(1)\)</span> 和 <span class="arithmatex">\(f(2)\)</span> 的解,因此可从分治角度思考,<strong>将 <code>A</code> 顶部的两个圆盘看做一个整体</strong>,执行以下步骤:</p>
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@ -3507,6 +3511,8 @@
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<p align="center"> 图:规模为 3 问题的解 </p>
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<p>本质上看,<strong>我们将问题 <span class="arithmatex">\(f(3)\)</span> 划分为两个子问题 <span class="arithmatex">\(f(2)\)</span> 和子问题 <span class="arithmatex">\(f(1)\)</span></strong> 。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。</p>
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<p>至此,我们可总结出汉诺塔问题的分治策略:将原问题 <span class="arithmatex">\(f(n)\)</span> 划分为两个子问题 <span class="arithmatex">\(f(n-1)\)</span> 和一个子问题 <span class="arithmatex">\(f(1)\)</span> 。子问题的解决顺序为:</p>
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@ -3516,7 +3522,7 @@
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<p>对于这两个子问题 <span class="arithmatex">\(f(n-1)\)</span> ,<strong>可以通过相同的方式进行递归划分</strong>,直至达到最小子问题 <span class="arithmatex">\(f(1)\)</span> 。而 <span class="arithmatex">\(f(1)\)</span> 的解是已知的,只需一次移动操作即可。</p>
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<p><img alt="汉诺塔问题的分治策略" src="../hanota_problem.assets/hanota_divide_and_conquer.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 汉诺塔问题的分治策略 </p>
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<p align="center"> 图:汉诺塔问题的分治策略 </p>
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<h3 id="_3">代码实现<a class="headerlink" href="#_3" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>在代码中,我们声明一个递归函数 <code>dfs(i, src, buf, tar)</code> ,它的作用是将柱 <code>src</code> 顶部的 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 个圆盘借助缓冲柱 <code>buf</code> 移动至目标柱 <code>tar</code> 。</p>
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@ -3838,7 +3844,7 @@
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<p>如下图所示,汉诺塔问题形成一个高度为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 的递归树,每个节点代表一个子问题、对应一个开启的 <code>dfs()</code> 函数,<strong>因此时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(2^n)\)</span> ,空间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span></strong> 。</p>
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<p><img alt="汉诺塔问题的递归树" src="../hanota_problem.assets/hanota_recursive_tree.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 汉诺塔问题的递归树 </p>
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<p align="center"> 图:汉诺塔问题的递归树 </p>
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<div class="admonition quote">
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<p class="admonition-title">Quote</p>
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