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2023-08-22 13:50:24 +08:00
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@ -3436,9 +3436,9 @@
<li>递归求解规模减小一半的子问题,可能为 <span class="arithmatex">\(f(i, m-1)\)</span><span class="arithmatex">\(f(m+1, j)\)</span></li>
<li>循环第 <code>1.</code> , <code>2.</code> 步,直至找到 <code>target</code> 或区间为空时返回。</li>
</ol>
<p>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>
<p> 12-4 展示了在数组中二分查找元素 <span class="arithmatex">\(6\)</span> 的分治过程。</p>
<p><img alt="二分查找的分治过程" src="../binary_search_recur.assets/binary_search_recur.png" /></p>
<p align="center">二分查找的分治过程 </p>
<p align="center"> 12-4 &nbsp; 二分查找的分治过程 </p>
<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>
<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 @@
<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>
</div>
<p><img alt="构建二叉树的示例数据" src="../build_binary_tree_problem.assets/build_tree_example.png" /></p>
<p align="center">构建二叉树的示例数据 </p>
<p align="center"> 12-5 &nbsp; 构建二叉树的示例数据 </p>
<h3 id="1">1. &nbsp; 判断是否为分治问题<a class="headerlink" href="#1" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>原问题定义为从 <code>preorder</code><code>inorder</code> 构建二叉树。我们首先从分治的角度分析这道题:</p>
@ -3466,17 +3466,17 @@
<p>根据以上分析,这道题是可以使用分治来求解的,但问题是:<strong>如何通过前序遍历 <code>preorder</code> 和中序遍历 <code>inorder</code> 来划分左子树和右子树呢</strong></p>
<p>根据定义,<code>preorder</code><code>inorder</code> 都可以被划分为三个部分:</p>
<ul>
<li>前序遍历:<code>[ 根节点 | 左子树 | 右子树 ]</code> ,例如<code>[ 3 | 9 | 2 1 7 ]</code></li>
<li>中序遍历:<code>[ 左子树 | 根节点 右子树 ]</code> ,例如<code>[ 9 | 3 | 1 2 7 ]</code></li>
<li>前序遍历:<code>[ 根节点 | 左子树 | 右子树 ]</code> ,例如图 12-5 的树对应 <code>[ 3 | 9 | 2 1 7 ]</code></li>
<li>中序遍历:<code>[ 左子树 | 根节点 右子树 ]</code> ,例如图 12-5 的树对应 <code>[ 9 | 3 | 1 2 7 ]</code></li>
</ul>
<p>以上图数据为例,我们可以通过图所示的步骤得到划分结果:</p>
<p>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:</p>
<ol>
<li>前序遍历的首元素 3 是根节点的值。</li>
<li>查找根节点 3 在 <code>inorder</code> 中的索引,利用该索引可将 <code>inorder</code> 划分为 <code>[ 9 | 3 1 2 7 ]</code></li>
<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>
</ol>
<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>
<p align="center">在前序和中序遍历中划分子树 </p>
<p align="center"> 12-6 &nbsp; 在前序和中序遍历中划分子树 </p>
<h3 id="3">3. &nbsp; 基于变量描述子树区间<a class="headerlink" href="#3" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<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><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>
@ -3485,8 +3485,8 @@
<li>将当前树的根节点在 <code>inorder</code> 中的索引记为 <span class="arithmatex">\(m\)</span></li>
<li>将当前树在 <code>inorder</code> 中的索引区间记为 <span class="arithmatex">\([l, r]\)</span></li>
</ul>
<p>表所示,通过以上变量即可表示根节点在 <code>preorder</code> 中的索引,以及子树在 <code>inorder</code> 中的索引区间。</p>
<p align="center">根节点和子树在前序和中序遍历中的索引 </p>
<p>如表 12-1 所示,通过以上变量即可表示根节点在 <code>preorder</code> 中的索引,以及子树在 <code>inorder</code> 中的索引区间。</p>
<p align="center"> 12-1 &nbsp; 根节点和子树在前序和中序遍历中的索引 </p>
<div class="center-table">
<table>
@ -3516,9 +3516,9 @@
</tbody>
</table>
</div>
<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”,建议配合图理解。</p>
<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”,建议配合图 12-7 理解。</p>
<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>
<p align="center">根节点和左右子树的索引区间表示 </p>
<p align="center"> 12-7 &nbsp; 根节点和左右子树的索引区间表示 </p>
<h3 id="4">4. &nbsp; 代码实现<a class="headerlink" href="#4" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<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>
@ -3830,7 +3830,7 @@
</div>
</div>
</div>
<p>图展示了构建二叉树的递归过程,各个节点是在向下“递”的过程中建立的,而各条边(即引用)是在向上“归”的过程中建立的。</p>
<p> 12-8 展示了构建二叉树的递归过程,各个节点是在向下“递”的过程中建立的,而各条边(即引用)是在向上“归”的过程中建立的。</p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="2:10"><input checked="checked" id="__tabbed_2_1" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_2" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_3" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_4" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_5" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_6" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_7" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_8" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_9" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_10" name="__tabbed_2" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_2_1">&lt;1&gt;</label><label for="__tabbed_2_2">&lt;2&gt;</label><label for="__tabbed_2_3">&lt;3&gt;</label><label for="__tabbed_2_4">&lt;4&gt;</label><label for="__tabbed_2_5">&lt;5&gt;</label><label for="__tabbed_2_6">&lt;6&gt;</label><label for="__tabbed_2_7">&lt;7&gt;</label><label for="__tabbed_2_8">&lt;8&gt;</label><label for="__tabbed_2_9">&lt;9&gt;</label><label for="__tabbed_2_10">&lt;10&gt;</label></div>
<div class="tabbed-content">
<div class="tabbed-block">
@ -3865,7 +3865,7 @@
</div>
</div>
</div>
<p align="center">构建二叉树的递归过程 </p>
<p align="center"> 12-8 &nbsp; 构建二叉树的递归过程 </p>
<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>
<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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@ -3479,13 +3479,13 @@
<li><strong>分(划分阶段)</strong>: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。</li>
<li><strong>治(合并阶段)</strong>: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。</li>
</ol>
<p>图所示,“归并排序”是分治策略的典型应用之一,其算法原理为:</p>
<p>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:</p>
<ol>
<li><strong></strong>: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)。</li>
<li><strong></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>
</ol>
<p><img alt="归并排序的分治策略" src="../divide_and_conquer.assets/divide_and_conquer_merge_sort.png" /></p>
<p align="center">归并排序的分治策略 </p>
<p align="center"> 12-1 &nbsp; 归并排序的分治策略 </p>
<h2 id="1211">12.1.1 &nbsp; 如何判断分治问题<a class="headerlink" href="#1211" title="Permanent link">&para;</a></h2>
<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>
@ -3504,12 +3504,12 @@
<p>分治不仅可以有效地解决算法问题,<strong>往往还可以带来算法效率的提升</strong>。在排序算法中,快速排序、归并排序、堆排序相较于选择、冒泡、插入排序更快,就是因为它们应用了分治策略。</p>
<p>那么,我们不禁发问:<strong>为什么分治可以提升算法效率,其底层逻辑是什么</strong>?换句话说,将大问题分解为多个子问题、解决子问题、将子问题的解合并为原问题的解,这几步的效率为什么比直接解决原问题的效率更高?这个问题可以从操作数量和并行计算两方面来讨论。</p>
<h3 id="1">1. &nbsp; 操作数量优化<a class="headerlink" href="#1" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>以“冒泡排序”为例,其处理一个长度为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 的数组需要 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span> 时间。假设我们按照图所示的方式,将数组从中点分为两个子数组,则划分需要 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 时间,排序每个子数组需要 <span class="arithmatex">\(O((n / 2)^2)\)</span> 时间,合并两个子数组需要 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 时间,总体时间复杂度为:</p>
<p>以“冒泡排序”为例,其处理一个长度为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 的数组需要 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span> 时间。假设我们按照图 12-2 所示的方式,将数组从中点分为两个子数组,则划分需要 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 时间,排序每个子数组需要 <span class="arithmatex">\(O((n / 2)^2)\)</span> 时间,合并两个子数组需要 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 时间,总体时间复杂度为:</p>
<div class="arithmatex">\[
O(n + (\frac{n}{2})^2 \times 2 + n) = O(\frac{n^2}{2} + 2n)
\]</div>
<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>
<p align="center">划分数组前后的冒泡排序 </p>
<p align="center"> 12-2 &nbsp; 划分数组前后的冒泡排序 </p>
<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>
<div class="arithmatex">\[
@ -3525,9 +3525,9 @@ n(n - 4) &amp; &gt; 0
<h3 id="2">2. &nbsp; 并行计算优化<a class="headerlink" href="#2" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>我们知道,分治生成的子问题是相互独立的,<strong>因此通常可以并行解决</strong>。也就是说,分治不仅可以降低算法的时间复杂度,<strong>还有利于操作系统的并行优化</strong></p>
<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>
<p>比如在图所示的“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>
<p>比如在图 12-3 所示的“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>
<p><img alt="桶排序的并行计算" src="../divide_and_conquer.assets/divide_and_conquer_parallel_computing.png" /></p>
<p align="center">桶排序的并行计算 </p>
<p align="center"> 12-3 &nbsp; 桶排序的并行计算 </p>
<h2 id="1213">12.1.3 &nbsp; 分治常见应用<a class="headerlink" href="#1213" title="Permanent link">&para;</a></h2>
<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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@ -3445,11 +3445,11 @@
</ol>
</div>
<p><img alt="汉诺塔问题示例" src="../hanota_problem.assets/hanota_example.png" /></p>
<p align="center">汉诺塔问题示例 </p>
<p align="center"> 12-9 &nbsp; 汉诺塔问题示例 </p>
<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>
<h3 id="1">1. &nbsp; 考虑基本情况<a class="headerlink" href="#1" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>图所示,对于问题 <span class="arithmatex">\(f(1)\)</span> ,即当只有一个圆盘时,我们将它直接从 <code>A</code> 移动至 <code>C</code> 即可。</p>
<p>如图 12-10 所示,对于问题 <span class="arithmatex">\(f(1)\)</span> ,即当只有一个圆盘时,我们将它直接从 <code>A</code> 移动至 <code>C</code> 即可。</p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="1:2"><input checked="checked" id="__tabbed_1_1" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_2" name="__tabbed_1" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_1_1">&lt;1&gt;</label><label for="__tabbed_1_2">&lt;2&gt;</label></div>
<div class="tabbed-content">
<div class="tabbed-block">
@ -3460,9 +3460,9 @@
</div>
</div>
</div>
<p align="center">规模为 1 问题的解 </p>
<p align="center"> 12-10 &nbsp; 规模为 1 问题的解 </p>
<p>图所示,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></p>
<p>如图 12-11 所示,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></p>
<ol>
<li>先将上面的小圆盘从 <code>A</code> 移至 <code>B</code></li>
<li>再将大圆盘从 <code>A</code> 移至 <code>C</code></li>
@ -3484,12 +3484,12 @@
</div>
</div>
</div>
<p align="center">规模为 2 问题的解 </p>
<p align="center"> 12-11 &nbsp; 规模为 2 问题的解 </p>
<p>解决问题 <span class="arithmatex">\(f(2)\)</span> 的过程可总结为:<strong>将两个圆盘借助 <code>B</code><code>A</code> 移至 <code>C</code></strong> 。其中,<code>C</code> 称为目标柱、<code>B</code> 称为缓冲柱。</p>
<h3 id="2">2. &nbsp; 子问题分解<a class="headerlink" href="#2" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<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。</p>
<p>因为已知 <span class="arithmatex">\(f(1)\)</span><span class="arithmatex">\(f(2)\)</span> 的解,所以我们可从分治角度思考,<strong><code>A</code> 顶部的两个圆盘看做一个整体</strong>,执行图所示的步骤。这样三个圆盘就被顺利地从 <code>A</code> 移动至 <code>C</code> 了。</p>
<p>因为已知 <span class="arithmatex">\(f(1)\)</span><span class="arithmatex">\(f(2)\)</span> 的解,所以我们可从分治角度思考,<strong><code>A</code> 顶部的两个圆盘看做一个整体</strong>,执行图 12-12 所示的步骤。这样三个圆盘就被顺利地从 <code>A</code> 移动至 <code>C</code> 了。</p>
<ol>
<li><code>B</code> 为目标柱、<code>C</code> 为缓冲柱,将两个圆盘从 <code>A</code> 移动至 <code>B</code></li>
<li><code>A</code> 中剩余的一个圆盘从 <code>A</code> 直接移动至 <code>C</code></li>
@ -3511,10 +3511,10 @@
</div>
</div>
</div>
<p align="center">规模为 3 问题的解 </p>
<p align="center"> 12-12 &nbsp; 规模为 3 问题的解 </p>
<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>
<p>至此,我们可总结出图所示的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>
<p>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 <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>
<ol>
<li><span class="arithmatex">\(n-1\)</span> 个圆盘借助 <code>C</code><code>A</code> 移至 <code>B</code></li>
<li>将剩余 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 个圆盘从 <code>A</code> 直接移至 <code>C</code></li>
@ -3522,7 +3522,7 @@
</ol>
<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>
<p><img alt="汉诺塔问题的分治策略" src="../hanota_problem.assets/hanota_divide_and_conquer.png" /></p>
<p align="center">汉诺塔问题的分治策略 </p>
<p align="center"> 12-13 &nbsp; 汉诺塔问题的分治策略 </p>
<h3 id="3">3. &nbsp; 代码实现<a class="headerlink" href="#3" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<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>
@ -3842,9 +3842,9 @@
</div>
</div>
</div>
<p>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>
<p>如图 12-14 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>
<p><img alt="汉诺塔问题的递归树" src="../hanota_problem.assets/hanota_recursive_tree.png" /></p>
<p align="center">汉诺塔问题的递归树 </p>
<p align="center"> 12-14 &nbsp; 汉诺塔问题的递归树 </p>
<div class="admonition quote">
<p class="admonition-title">Quote</p>