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數據結構與算法分析:最大子序列和問題之算法優化

lviY_AI_shequ ? 來源:未知 ? 作者:李倩 ? 2018-04-26 17:07 ? 次閱讀

算法一:窮舉式地嘗試所有的可能

int maxSubsequenceSum(const int a[], int n){ int i, j, k; int thisSum, maxSum = 0; for (i = 0; i < n; i++)?? ? ? ?for (j = i; j < n; j++)?? ? ? ?{?? ? ? ? ? ?thisSum = 0;?? ? ? ? ? ?for (k = i; k < j; k++)?? ? ? ? ? ? ? ?thisSum += a[k];?? ? ? ? ? ?if (thisSum > maxSum) maxSum = thisSum; } return maxSum;}

算法復雜度為O(n^3)(三重for循環)

算法二:算法一的改進

int maxSubsequenceSum(const int a[], int n){ int i, j; int thisSum, maxSum = 0; for (i = 0; i < n; i++)?? ?{?? ? ? ?thisSum = 0;?? ? ? ?for (j = i; j < n; j++)?? ? ? ?{?? ? ? ? ? ?thisSum += a[j];?? ? ? ? ? ?if (thisSum > maxSum) maxSum = thisSum; } } return maxSum;}

該算法去除了算法一中不必要的計算,時間復雜度為O(n^2)(兩重for循環)。

算法三:分治(divide-and-conquer)策略

分治策略:

分:把問題分成若干個(通常是兩個)規模相當的子問題,然后遞歸地對它們求解。

治:將若干個問題的解4合并到一起并可能再做少量的附加工作,最后得到整個問題的解。

在這個問題中,最大子序列和可能在三處出現:即左半部序列、右半部序列、穿過中部從而占據左右兩半部分的序列。前兩種情況可以通過遞歸求解。而遞歸的基準情況(base cases)是序列只有一個元素(left == right),若該元素大于0,則返回該元素,否則返回0。第三種情況的最大和可以通過分別求出左邊部分(包含左半部分最后一個)的最大和以及右邊部分(包含右邊部分的第一個)的最大和,再將它們相加得到。

int maxSubsequenceSum(const int a[], int left, int right)

{

int i, mid, maxLeftSum, maxRightSum;

int maxLeftBorderSum, leftBorderSum;

int maxRightBorderSum, rightBorderSum;

if (left == right) { /*基準情況*/

if (a[left] >= 0)

return a[left];

else

return 0;

}

mid = left + (right - left) / 2;

maxLeftSum = maxSubsequenceSum(a, left, mid); /*左半部分的最大和*/ maxRightSum = maxSubsequenceSum(a, mid+1, right); /*右半部分的最大和*/

/*下面求穿過中點的最大和*/

maxLeftBorderSum = 0, leftBorderSum = 0;

for (i = mid; i >= left; i--)

/*中點及其以左的最大和*/

{

leftBorderSum += a[i];

if (leftBorderSum > maxLeftBorderSum)

maxLeftBorderSum = leftBorderSum;

}

maxRightBorderSum = 0, rightBorderSum = 0;

for (i = mid+1; i <= right; i++) ? /*中點以右的最大和*/?

{

rightBorderSum += a[i];

if (rightBorderSum > maxRightBorderSum)

maxRightBorderSum = rightBorderSum;

}

/*返回三部分中的最大值*/

return max3(maxLeftSum, maxRightSum, maxLeftBorderSum+maxRightBorderSum);

}

int max3(int a, int b, int c)

{

int maxNum = a;

if (b > maxNum)

maxNum = b;

if (c > maxNum)

maxNum = c;

return maxNum;

}

以序列2,4,-1,-5,4,-1為例,其左半部分最大和為2 + 4 = 6;右半部分最大和為4,穿過中心的最大和為(-1 + 4 + 2)+ (-5 + 4)= 0。故該序列的最大子序列和為max(6,4,0)= 6。時間復雜度分析:假設T(n)為求解大小為n的最大子序列和問題所花費的時間。當n = 1是,T(1) = O(1);當n > 1時,兩次遞歸花費的總時間為2T(n/2),兩個并列的for循環花費的時間是O(len(left)+len(right)) = O(n),一共為2T(n/2)+O(n)。綜上可列如下方程組:

T(1) = 1T(n) = 2T(n/2) + O(n)

事實上,上述方程組常常通用于分治算法,由方程組可算出T(n) = O(nlogn)。

算法四:

算法三利用遞歸較好的解決了最大子序列和問題,但仔細分析,在遞歸過程中,同一個元素很可能多次被操作,有沒有更高效的算法?先上代碼

int maxSubsequenceSum(const int a[], int n){ int i; int maxSum, thisSum; maxSum = thisSum = 0; for (i = 0; i < n; i++)?? ?{?? ? ? ?thisSum += a[i];?? ? ? ?if (thisSum > maxSum) maxSum = thisSum; else if (thisSum < 0)?? ? ? ? ? ?thisSum = 0;?? ?}?? ?return maxSum;?}

可以簡單的分析出上述代碼的時間復雜度是O(n),比前三種都高效。它為什么是正確的?從直觀上理解:首先for循環的if語句保證了每次更新后最大和保存在maxSum中,而我們從i = 0開始掃描,假設掃描到i = t(t < n),且此時的最大和已經保存在maxSum中,而當前的和(thisSum)如果大于0,不管當i > t的元素大小如何,加上thisSum總會使之后的和變大,而如果thisSum小于0,肯定會使之后的和變小,既然還會變小,那干脆就重新來過(thisSum = 0),有些另起爐灶的意味。

該算法一個附帶的優點是,它只對數據進行一次的掃描,一旦a[i]被讀入并被處理,它就不再需要記憶。因此,如果數組在磁盤或磁帶上,它就可以被順序讀入,在主存中不必儲存數組的任何部分。不僅如此,在任意時刻,該算法都能對它已經讀入的數據給出子序列問題的正確答案(其他算法即前三種不具有這個特性)。具有這種特性的算法叫做聯機算法(online algorithm)。僅需要常量空間并以線性時間運行的online algorithm幾乎是完美的算法。————《數據結構與算法分析》(中文版第二版)

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原文標題:最大子序列和問題之算法優化

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