四种方法求解最大子段和问题

题目描述

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给定一段长度为n的序列,我们需要找到其中一个连续的子段,使这个子段中各个元素加和最大,如果这个数组中全为负整数,我们就定义这个子段和为0.

题目分析

首先我们的目的是找一个局部的子段但加和是全局最大,所以我们可以很自然地想到,直接暴力法遍历求解即可。
方法一.暴力法求解
我们设置一个i,从第1个位置开始遍历,这个i表示的是我们最大子段的起始位置,然后我们从j=i往后接着遍历,j表示的是我们最大子段的末尾位置。接着从初始位置到末尾位置的元素累加求和,不断更新最大值即可。
暴力法代码

#include <iostream>
using namespace std;
int Maxsum(int n,int *a,int &besti,int &bestj)
{
    int sum = 0;
    for(int i = 1;i <= n;i++)//个人编程习惯,数组第一个位置从1开始
    {
        for(int j = i;j <= n;j++)
        {
            int thissum = 0;//当前最大值,我们用它来更新sum
            for(int k = i;j <= j;k++)
            {
                thissum += a[k];
            }
            if(thissum > sum)
            {
                sum = thissum;
                besti = i;//最优区间的开头
                bestj = j;//最优区间的结尾
            }
        }
    }
    return sum;
}

暴力法通常都可以解决问题,但也绝不是最好的方法,它的时间复杂度是极大的。大家可以看到,我们的代码中用了三层嵌套循环,所以这个方法的时间复杂度是O(n^3),空间复杂度是O(1)
方法二.暴力法的改良
暴力法的时间复杂度过高,我们可以基于传统的暴力法再优化一点。就是在我们移动末尾区间的时候,边移动边求和。不用等到末尾区间固定了之后再遍历求和。
暴力法改良代码

#include <iostream>
using namespace std;
int Maxsum(int n,int *a,int &besti,int &bestj)
{
    int sum = 0;
    for(int i = 1;i <= n;i++)//个人编程习惯,数组第一个位置从1开始
    {
        int thissum = 0;
        for(int j = i;j <= n;j++)
        {
            thissum += a[j];
            if(thissum > sum)
            {
                sum = thissum;
                besti = i;//最优区间的开头
                bestj = j;//最优区间的结尾
            }
        }
    }
    return sum;
}
我们减少了一层循环,所以时间复杂度减少为了O(n^2),空间复杂度为O(1)

方法三.分治法
分治法是解决数组问题很常用的一种方法,我们对分治法情有独钟又敬而远之。其实分治法的本质就是递归,只要想着,我 们就负责把问题给你分开,分开的问题就留给你计算机自己处理。
分治法解题有三种情况:
1,这个最大子段在我们数组的左侧
2.这个最大子段在我们数组的右侧
3.这个最大子段跨过了左右两侧,在中间最大。
下面我们会分别讨论这三种情况。
第一种和第二种我们很简单,我们只需要简单地递归来解题,将两个子问题递归解出。分开的位置就是我们的中心位置。
第三种情况,我们假设跨过中心的子段在左侧的最大值为s1,在右侧的最大值为s2.则这个完整子段的最大值就是s1+s2。看吧,我们又把问题分成了两个。分别求解就好了。
分治法代码

#include <iostream>
using namespace std;
int Maxsubsum(int *a,int left,int right)
{
    int sum = 0;
    if(left == right)
        return a[left] > a[right] ? a[left] : a[right];
    else{
        int center = (left + right) / 2;
        int leftsum = Maxsubsum(a,left,center);
        int rightsum = Maxsubsum(a,center+1,right);
        int s1 = 0;
        int lefts = 0;
        //从中心向左侧遍历求最大
        for(int i = center;i >= left;i--){
            lefts += a[i];
            if(lefts>s1)
                s1 = lefts;//为了防止我们加入了负数,所以每次都应该执行这部操作来判断
        }
        //对于右侧同理
        int s2 = 0;
        int rights = 0;
        //从中心向右侧遍历求最大
        for(int j = center+1;j <= right;j++)
        {
            rights += a[j];
            if(rights > s2)
                s2 = rights;
        }
        sum = s1 + s2;
        if(sum < leftsum)
            sum = leftsum;
        if(sum < rightsum)
            sum = rightsum;
    }
    return sum;
}
//但是这个方法我们也可以找到最优的区别,只需要稍微修改下上面的程序
int Maxsum(int n,int *a)
{
    return Maxsubsum(a,1,n);
}

数组被我们不断二分,分的次数为k,所以n = 2^k,遍历的时间复杂度为n,所以这个方法的时间复杂度为O(nlogn)
动态规划法
接下来就是最核心的方法了,其实这道题相信很多朋友看到了第一时间就会想到动态规划法,没错,这确实也是最简单的方法。
在这里插入图片描述
我们先开辟一个新的数组b,b[k]存储的是遍历到a[k]时的最大子段和。我们假设现在访问到了第j个位置,则a[j]位置的最大子段和应该是b[j],所以我们应该更新b[j]=b[j-1]+a[j]
但是如果b[j-1]<0的话,我们就不做上述更新了,因为a[j]+b[j-1]一定小于a[j],所以我们就让b[j]=a[j]即可。
动态规划法代码

#include <iostream>
using namespace std;
int Maxsum(int n,int *a)
{
    int sum = 0,b = 0;
    for(int i = 1;i <= n;i++)
    {
        if(b > 0)
            b += a[i];
        else
            b = a[i];
        if(b > sum)
            sum = b;
    }
    return sum;
}

动态规划法我们只遍历了一次数组,所以时间复杂度为O(n).

总结

对于数组问题,无论是一维或者二维,求最大或最小值一定会涉及到一个回溯或者动态规划问题,我们需要回头找到一个最值,或者直接干脆将前面的最值存起来。从而可以简化我们的计算。但是有的时候单纯运用动态规划法反而会造成更大的时间浪费,所以可能还需要一些小小的优化。具体例子可见我的另一篇博客:最长单调递增子序列

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