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synced 2025-07-29 13:23:09 +08:00
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This commit is contained in:
@ -3469,7 +3469,7 @@
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<li>前序遍历:<code>[ 根节点 | 左子树 | 右子树 ]</code> ,例如上图 <code>[ 3 | 9 | 2 1 7 ]</code> 。</li>
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<li>中序遍历:<code>[ 左子树 | 根节点 | 右子树 ]</code> ,例如上图 <code>[ 9 | 3 | 1 2 7 ]</code> 。</li>
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</ul>
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<p>以上图数据为例,我们可以通过以下步骤得到上述的划分结果:</p>
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<p>以上图数据为例,我们可以通过下图所示的步骤得到划分结果:</p>
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<ol>
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<li>前序遍历的首元素 3 是根节点的值。</li>
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<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>
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@ -3479,7 +3479,7 @@
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<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>
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<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>
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</ol>
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<p>我们已学过的“归并排序”是分治策略的典型应用之一,其算法原理为:</p>
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<p>如下图所示,“归并排序”是分治策略的典型应用之一,其算法原理为:</p>
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<ol>
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<li><strong>分</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>
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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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@ -3504,7 +3504,7 @@
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<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>
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<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>
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<h3 id="1">1. 操作数量优化<a class="headerlink" href="#1" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<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。假设我们把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>
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<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。假设我们按照下图所示的方式,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>
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<div class="arithmatex">\[
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O(n + (\frac{n}{2})^2 \times 2 + n) = O(\frac{n^2}{2} + 2n)
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\]</div>
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@ -3525,7 +3525,7 @@ n(n - 4) & > 0
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<h3 id="2">2. 并行计算优化<a class="headerlink" href="#2" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<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>
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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>比如在下图所示的“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>
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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"> 图:桶排序的并行计算 </p>
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@ -3449,7 +3449,7 @@
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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">1. 考虑基本情况<a class="headerlink" href="#1" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>对于问题 <span class="arithmatex">\(f(1)\)</span> ,即当只有一个圆盘时,则将它直接从 <code>A</code> 移动至 <code>C</code> 即可。</p>
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<p>如下图所示,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>
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<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"><1></label><label for="__tabbed_1_2"><2></label></div>
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<div class="tabbed-content">
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<div class="tabbed-block">
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@ -3462,13 +3462,12 @@
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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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<p>如下图所示,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>
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<ol>
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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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<li>再将大圆盘从 <code>A</code> 移至 <code>C</code> 。</li>
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<li>最后将小圆盘从 <code>B</code> 移至 <code>C</code> 。</li>
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</ol>
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<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> 从 <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>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="2:4"><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" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_2_1"><1></label><label for="__tabbed_2_2"><2></label><label for="__tabbed_2_3"><3></label><label for="__tabbed_2_4"><4></label></div>
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<div class="tabbed-content">
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<div class="tabbed-block">
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@ -3487,14 +3486,15 @@
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</div>
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<p align="center"> 图:规模为 2 问题的解 </p>
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<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> 从 <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>
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<h3 id="2">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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<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>
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<p>因为已知 <span class="arithmatex">\(f(1)\)</span> 和 <span class="arithmatex">\(f(2)\)</span> 的解,所以我们可从分治角度思考,<strong>将 <code>A</code> 顶部的两个圆盘看做一个整体</strong>,执行下图所示的步骤。这样三个圆盘就被顺利地从 <code>A</code> 移动至 <code>C</code> 了。</p>
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<li>令 <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>
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<li>将 <code>A</code> 中剩余的一个圆盘从 <code>A</code> 直接移动至 <code>C</code> 。</li>
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<li>令 <code>C</code> 为目标柱、<code>A</code> 为缓冲柱,将两个圆盘从 <code>B</code> 移动至 <code>C</code> 。</li>
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</ol>
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<p>这样三个圆盘就被顺利地从 <code>A</code> 移动至 <code>C</code> 了。</p>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="3:4"><input checked="checked" id="__tabbed_3_1" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_2" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_3" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_4" name="__tabbed_3" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_3_1"><1></label><label for="__tabbed_3_2"><2></label><label for="__tabbed_3_3"><3></label><label for="__tabbed_3_4"><4></label></div>
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<div class="tabbed-content">
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<div class="tabbed-block">
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@ -3514,7 +3514,7 @@
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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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<p>至此,我们可总结出下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>
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<ol>
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<li>将 <span class="arithmatex">\(n-1\)</span> 个圆盘借助 <code>C</code> 从 <code>A</code> 移至 <code>B</code> 。</li>
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<li>将剩余 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 个圆盘从 <code>A</code> 直接移至 <code>C</code> 。</li>
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@ -3353,7 +3353,7 @@
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<li>引入分治策略往往可以带来算法效率的提升。一方面,分治策略减少了操作数量;另一方面,分治后有利于系统的并行优化。</li>
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<li>分治既可以解决许多算法问题,也广泛应用于数据结构与算法设计中,处处可见其身影。</li>
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<li>相较于暴力搜索,自适应搜索效率更高。时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(\log n)\)</span> 的搜索算法通常都是基于分治策略实现的。</li>
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<li>二分查找是分治思想的另一个典型应用,它不包含将子问题的解进行合并的步骤。我们可以通过递归分治实现二分查找。</li>
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<li>二分查找是分治策略的另一个典型应用,它不包含将子问题的解进行合并的步骤。我们可以通过递归分治实现二分查找。</li>
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<li>在构建二叉树问题中,构建树(原问题)可以被划分为构建左子树和右子树(子问题),其可以通过划分前序遍历和中序遍历的索引区间来实现。</li>
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<li>在汉诺塔问题中,一个规模为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 的问题可以被划分为两个规模为 <span class="arithmatex">\(n-1\)</span> 的子问题和一个规模为 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 的子问题。按顺序解决这三个子问题后,原问题随之得到解决。</li>
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