Algorithm summary

2018.5.24日更新：
去掉原文中的目录，修正了目前我发现的错别字（其实也没几个，但是本着严谨的态度我还是决定修改过来），增添了部分代码注释（发现自己写的代码现在竟然看不懂，只能强行加注释了～）

一：算法分析基本概念

二分搜索

Linearsearch

/*
 * 输入：n个元素的数组A[1...n]、x
 * 输出：如果x=A[j]&&1<=j<=n，则输出j，否则输出0
 */

int Linearsearch(int *A,int x, int n){
    int j=0;
    while (j<n&&x!=A[j]){
        j++;
    }

    if(x==A[j])return j;
    return 0;
}

Binarysearch

/*
 * 输入：n个元素的升序数组A[1...n]、x
 * 输出：如果x=A[j]&&1<=j<=n，则输出j，否则输出0
 */

int Binarysearch(int *A, int x, int n) {
    int low = 1, high = n, j = 0;
    while (low <= high && j == 0) {
        int mid = (int) ((low + high) / 2);
        if (x == A[mid])j = mid;
        else if (x < A[mid])high = mid - 1;
        else low = mid + 1;
    }

    return j;
}

要注意二分搜索的输入一定是一个升序的数组，实质就是一个二叉搜索树（所以也把二分搜索的执行描述为决策树），对于一个大小为n的排序数组，算法Binarysearch执行比较的最大次数为int（logn）+1（如果输入数组不是递增排好序的，则可在nlogn内对其进行排序后再进行二分搜索）。

合并两个已排序的表

/*
 * 输入：数组A[1...m]和它的三个索引p，q，r，1<=p<=q<r<=m，p、q、r满足A[p...q]、A[q+1...r]分别按照升序排列
 * 输出：合并两个子数组A[p...q]和A[q+1...r]的数组A[p...r]
 */

void Merge(int *A, int p, int q, int r) {
    int B[r + 1];//B[p...r]是辅助数组
    int s = p, t = q + 1, k = p;//s指向A[p...q]子数组，t指向A[q+1...r]子数组，k指向B数组
    while (s <= q && t <= r) {
        if (A[s] <= A[t]) {
            B[k] = A[s];
            s++;
        } else {
            B[k] = A[t];
            t++;
        }

        k++;
    }

    if (s = q + 1) {//说明s指向的数组已经遍历完了
        for (int i = t; i <= r; ++i) {
            B[k++] = A[i];
        }
    } else {
        for (int i = s; i <= r; ++i) {
            B[k++] = A[i];
        }
    }

    for (int j = p; j <= r; ++j) {
        A[j] = B[j];

    }
}

设Merge算法要合并两个大小分别为n1和n2的数组（n1

选择排序

/*
 * 输入：n个元素的数组A[1...n]
 * 输出：按非降序排列的数组A[1...n]
 */

void SelectionSort(int *A, int n) {

    for (int i = 0; i < n; ++i) {

        for (int j = i + 1; j <= n; ++j) {
            if (A[i] > A[j]) {
                int t = A[i];
                A[i] = A[i];
                A[i] = t;
            }
        }
    }

}

算法SelectionSort所需的元素比较次数为n(n-1)/2（n-1+n-2+n-3+…+2+1=n(n-1)/2），因为每次交换需要3次赋值，所以元素的赋值次数介于0到3(n-1)之间。

插入排序

思路

首先将第二个数与第一个数进行对比，如果第二个数比第一个数小，则将第二个数插入到第一个数之前，这样保证前两个数是有序的；
接下来将第三个数与前两个数对比，比较的思路是先将第三个数存下来（记为x），然后将第三个数与第二个数比较，如果第二个数比第三个数大，则直接将第二个数向后移动一位，如果第二个数不比第三个数大，则说明此时前三个数都是有序的，因为之前前两个数是有序的，比较到最后，将x放到第三个数比较的终止位置即可。以此类推，将后面的i个数分别其前面的i-1个数进行对比，并将其插入到第一个比其大的数前面，最后即可完成排序。

代码实现

/*
 * 输入：n个元素的数组A[1...n]
 * 输出：按非降序排列的数组A[1...n]
 */

void InsertionSort(int *A, int n) {
    for (int i = 2; i <= n; ++i) {
        int x = A[i];
        int j = i - 1;
        while (j > 0 && A[j] > x) {
            A[j + 1] = A[j];
            j--;
        }
        A[j + 1] = x;
    }
}

执行算法SelectionSort的元素比较次数在n-1到n(n-1)/2之间，元素赋值次数等于元素比较次数加上n-1.

自底向上合并排序

/*
 * 输入：n个元素的数组A[1...n]
 * 输出：按非降序排列的数组A[1...n]
 */


void Merge(int *A, int p, int q, int r);

void BottomUpSort(int *A, int n) {
    int t = 1;
    while (t < n) {
        int s = t, t = 2 * s, i = 0;
        while (i + t <= n) {
            Merge(A, i + 1, i + s, i + t);
            i = i + t;
        }
        if (i + s < n) {
            Merge(A, i + 1, i + s, n);
        }
    }
}

用算法BottomUpSort对n个元素的数组进行排序，当n为2的幂时，元素比较次数在(nlogn)/2到nlogn-n+1之间。执行该算法的元素赋值次数为2nlogn。

时间复杂性

O

前文提到算法InsertionSort执行的运算次数至多为cn^2，其中c为某个适当选择的正常数。这时我们说算法InsertionSort的运行时间是O(n^2)，说明当排序元素的个数等于或超过某个阈值n0时，对于某个常量c，运行时间是cn^2，O符号描述的是一个上界但不一定是算法的实际执行时间，比如当排序一个已经排序好的数组时InsertionSort的运行时间就不是O(n^2)而是O(n)了。

Ω

相比于O，Ω描述的是算法执行的下界，比如算法InsertionSort的运算时间至少是cn，则称算法InsertionSort的运行时间是Ω（n），即无论何时，当被排序的元素个数等于或超过某一个阈值n0时，对于某个常数c，算法的运行时间至少是cn。

Senta

Senta描述的是一个确切界限，如果对于任意大小等于或超过某一阈值n0的输入，如果运行时间在c1g(n)和c2g(n)之间，则称算法的运行时间是Senta(g(n))。

复杂性类与 o 符号

o符号

O 符号给出的上界可以是“紧”的,也可以是非“紧”的。
2* n^ 2 =O ( n^ 2 ) 是渐近性紧边界
2 *n = O ( n^ 2 ) 不是渐近性紧边界

o 符号就用来表示不是渐近性紧边界的上界
举例: 2 n = o ( n ) , 2 ^n ！= o ( n )

直观上来说,在小 o 符号中, f ( n ) =o ( g ( n )) ,当 n 趋向于无穷大时, f (n ) 函数相当于 g (n ) 就变得不再重要了
即lim->+oof(n)/g(n)=0

w符号

用类比法来讲,小 w符号相对于大 Ω符号的关系正如 o 符号相对于 O 符号的关系。
我们用小 w 符号来表示一个渐近性非紧密的下界。
比如：

(n^2)/2=w(n )
(n^2)/2!=w(n^2)

lim->+oof(n)/g(n)=oo

空间复杂性

我们把算法使用的空间 定义 、为:为了求解问题的实例而执行的计算步骤所需要的内存空间,它不包括分配用来存储输入的空间（为了区分那些在整个计算过程中占用了少于输入空间的算法）。

算法的空间复杂性不可能超过运行时间的复杂性,因为每写入一个内存单元都至少需要一定的时间。所以,如果用 T (n ) 和 S (n ) 分别代表算法的时间复杂性和空
间复杂性,有: S ( n ) = O ( T ( n )) 。

最优算法

如果可以证明任何一个求解问题 T的算法必定是Ω ( f ( n )) ,那么我们把在 O ( f ( n )) 时间内求解问题T的任何算法都称为问题 T的最优算法。

如何估计算法的运行时间

• 计算迭代次数
• 计算基本运算的频度

一般来说,在分析一个算法运行时间时,可以找出这样一个元运算,它的频率至少和任何其他运算的频度一样大,称这样的运算为基本运算。我们还可以放宽这个定义,把那些频度和运行时间成正比的运算包括进来。

• 使用递推关系

如果一个算法本身是递归算法,那么计算这个算法运行时间的函数通常也是递归的,即是指,这个函数的定义中引用了函数自身。即便一个算法本身是非递归的,我们有时也可以用递归式来计算它的运行时间。

lim->+oof(n)/g(n)!=oo f(n)=O(g(n))
lim->+oof(n)/g(n)!=0 f(n)=Ω(g(n))
lim->+oof(n)/g(n)==c f(n)=Senta(g(n))

二：堆和不相交集数据结构

在很多情况下我们需要使用一种具有插入元素和查找最大值元素的数据结构，这种数据结构叫做优先队列，如果采用普通队列，那么寻找最大元素需要搜索整个队列，开销比较大；如果使用排序数组，插入运算就需要移动很多的元素，开销也会比较大。这时候堆就是一种有效的实现优先队列的数据结构。

堆的特点：

• 父节点大于等于子节点（但是两个子节点之间的大小关系没有要求），这样可以做到沿着每条从根节点到叶子节点的路径，元素的键值都是以非升序排列的。

• 堆是一个几乎完全的二叉树，所以具有和完全二叉树一样的特点，即一般是存储在一个数组A[n]中，A[i]的左子节点在A[2i]中，右子节点在A[2i+1]中（当他们存在的时候）,A[i]的父亲节点在A[i/2]中（如果存在，i/2向下取整）。

  堆需要支持的几种运算：

  • delete-max[H] 从一个非空的堆H中删除最大元素并将数据项返回
  • insert[H,x] 将x插入到对H中
  • delete[H,i] 从堆中删除第i项（注意不是删除i）
  • makeheap[A] 将A转换成一个堆

堆上的运算

两个辅助运算

SIFT-UP

功能

当某个节点（H[i]）的值大于他的父亲节点的值时，需要通过SITF-UP将这个节点沿着从H[i]到H[1]这条唯一的路径上移到合适的位置以形成一个合格的堆。

实现思路

将H[i]与其父亲节点H[i/2]比较，如果H[i]大于H[i/2]，则将H[i]与H[i/2]互换，直到H[i]没有父节点或者H[i]不大于H[i/2]。

代码

int SiftUp(int *H, int i) {

    while (true) {
        if (i == 1) {
            break;//说明当前i是根节点
        }
        if (H[i] > H[(int) i / 2]) {//如果当前节点比父亲节点大
            int t;
            t = H[i];
            H[i] = H[(int) i / 2];
            H[(int) i / 2] = t;
            i = i / 2;
        } else {
            break;
        }
    }
    return 0;
}

SIFT-DOWN

功能

当某个节点（H[i]，i<=(int)n/2即非叶子节点）的值小于它的两个子节点H[2i]和H[2i+1]（如果存在的话）的最大值时，需要将SIFT-DOWN将渗到合适的位置。

实现思路

将H[i]与其两个子节点中值最大的元素比较，如果小于最大的那个节点，则将H[i]与其最大的那个子节点互换。

代码：

int SiftDown(int *H, int i, int n) {
    while (true) {
        i = 2 * i;
        if (i > n) {
            break;
        }

        if (i + 1 <= n) {
            if (H[i + 1] > H[i]) {//比较两个子节点哪个最大
                i++;
            }
        }

        if (H[i] > H[(int) i / 2]) {
            int t;
            t = H[i];
            H[i] = H[(int) i / 2];
            H[(int) i / 2] = t;
        }
    }
}

插入（insert）

功能

将元素x插入到已有的堆H中

实现思路

首先将堆的大小增加1（n++），然后将x放在H[n]中，然后根据需要将H[n]中的元素x进行上移操作，直到最后形成一个合格的堆。

算法时间复杂度分析

一个大小为n的二叉堆其高度应该为（int）logn，所以将一个元素插入大小为n的堆中所需的时间复杂度为O（logn）

代码

void insert(int *H,int x,int &n){
    n++;
    //这里默认H开的空间够用
    H[n]=x;
    SiftUp(H, n);//将x根据需要上移
}

删除（delete）

功能

将堆H中的元素x删除

实现思路

用堆中的最后一个元素H[n]替换需要删除的元素H[i]，然后堆的大小减一（n–），然后根据需要对H[i]进行上移或者下渗直到最后形成一个合格的堆。

算法时间复杂度分析

一个大小为n的二叉堆其高度应该为（int）logn，所以从一个大小为n的堆中将一个元素删除所需的时间复杂度为O（logn）

代码

void Delete(int *H, int i, int &n) {

    if (i == n) {//如果需要删除的是最后一个元素
        n--;
        return;
    }

    H[i] = H[n];
    n--;

    if (H[i] > H[(int) i / 2]) {//如果当前节点比父亲节点大则需要上移
        SiftUp(H, i);
    } else {//否则进行下渗
        SiftDown(H, i, n);
    }
}

删除最大值（deletemax）

功能

将堆H中的最大元素x删除并返回最大值。

实现思路

用堆中的最后一个元素H[n]替换需要删除的元素H[1]，然后堆的大小减一（n–），然后根据需要对H[1]进行上移或者下渗直到最后形成一个合格的堆。

算法时间复杂度分析

一个大小为n的二叉堆其高度应该为（int）logn，所以从一个大小为n的堆中将一个元素删除所需的时间复杂度为O（logn）

代码

int DeleteMax(int *H,int &n){
    int x=H[1];
    Delete(H, 1, n);
    return x;
}

创建堆（makeheap）

功能

给出一个有n个元素的数组H[1….n]，创建一个包含这些元素的堆。

实现思路

类似于分治，首先，H的叶子节点（即最下面的一层单个元素）可以认为是若干个小堆，然后我们从倒数第二层开始，将倒数第二层和倒数第一层的元素进行适当调整，使得调整之后整个二叉完全树的最后两层是若干个子堆，按照这个思路，依次向上走，最终走到第1层的时候就可以保证整个完全二叉树是一个符合要求的堆。

需要注意的是对于一个完全二叉树，倒数第二层的最后一个元素的下标为int(n/2)，（因为倒数第二层的最后一个节点的下标x应该满足x*2=n）.

算法时间复杂度分析

senta(n)

代码

void makeheap(int *H,int n){
    for (int i = n/2; i >=1 ; --i) {//从倒数第二层到第一层
        SiftDown(H,i,n);
    }
}

堆排序（heapsort）

功能

利用堆对数组H[n]进行排序。

实现思路

首先将数组H[n]调整成为一个（大顶）堆，这时可以保证H[1]是数组中的最大元素，然后将H[1]与H[n]互换位置，然后再调整1——n-1为一个大顶堆，然后将H[1]与H[n-1]互换，以此类推，最后就可以保证H为一个非升序的数组。

算法复杂度分析

空间复杂度：因为本算法是在数组H原有的空间基础上进行排序的，所以空间复杂度是Senta（1）。
时间复杂度：

• 建堆 senta(n)
• 执行n-1次siftdown nlog(n)
  所以总的时间复杂度是nlog（n）

代码

void HeapSort(int *H,int n){
    makeheap(H,n);
    int t;
    for (int i = n; i >=2 ; --i) {
        t=H[i];
        H[i]=H[1];
        H[1]=t;
        SiftDown(H,1,i-1);
    }
}

三：归纳法

只调用一次的递归叫做尾递归

基数排序

算法思想

基数排序需要经历d次，d为所要排序数列中位数最多的数的位数，其过程是首先根据数列中数的个位的数值将所有数入0~9这10个队列，然后从0~9将元素依次出队，然后再根据十位元素的数值再次入队，然后出队，以此类推重复d次，最终即可完成排序。

时间空间复杂度及稳定性

• T(n)=O(d*n) d为排序数中最大数的位数
• S(n)=O(n)
• 稳定

代码

    void radixSort(vector<int> v) {

        int d = GetMaxBit(v);

        int *count = new int[10];
        queue<int> q[10];

        int radix = 1;
        for (int i = 0; i < d; ++i) {
            for (int j = 0; j < v.size(); ++j) {
                int t;
                t = (v[j] / radix) % 10;
                q[t].push(v[j]);
            }

            int p = 0;
            for (int k = 0; k < 10; ++k) {
                while (!q[k].empty()) {
                    v[p++] = q[k].front();
                    q[k].pop();
                }
            }
            radix *= 10;
        }
        show(v);

    }

注意

对于任何的基数都可以归纳出算法，而不仅仅是以10做基数。比如可以把二进制的每四位作为一个数字，也就是用16作为基数，表的数目将和基数相等但是要保证从低位开始将数分配到表中。

整数幂

场景介绍

很多时候我们需要求实数x的n次方即x^n，按照常规做法一般会对x进行n次自乘以得到x^n，但是这是非常低效的，因为它需要senta（n）次乘法，按照输入的大小来说它是指数级的。

归纳法思路

一个比较高效的归纳算法是令m=int(n/2)，假设已经知道如何计算x^m,那么根据x^m次方来计算x^n次方就有两种情况：

• n为偶数 则x^n=（x^m）^2
• n为奇数 则x^n=x(x^m)^2

归纳法实现代码（Exprec）

int power(int x,int n){
    if (n==0){
        return 1;
    }

    int m=n/2;
    int y;
    y=power(x,n/2);
    y=y*y;
    if (n%2!=0){//如果n是奇数
        y=y*x;
    }

    return y;
}

迭代法实现思路

上述归纳法实现求x^n的关键部分在于采用递归不断判断n/2的奇偶性，所以我们可以采用迭代的办法，因为一个数除以2的k次方后的奇偶性由其化为二进制数的第k低位决定的（因为除法除以2就相当于二进制的左移操作），所以我们可以将n化为二进制数字d_k,d_(k-1)……d_0，从y=1开始，从左到右扫描二进制数字，如果当前二进制数字为0，则对应递归情况下的偶数情况即应该y=y^2，否则即为y=y(y^m)^2

迭代法实现代码（Exp）

int Exp(int x,int n){
    int d[10];//假设n化为2进制数字后存在d数组里面
    int y=1;
    for (int i = len(d); i >=0 ; --i) {
        y=y*y;
        if(d[i]==1){
            y=y*x;
        }
    }
}

总结

假设每次乘法的时间是常数，那么这两种方法所需的运行时间都是senta(lohn)，他们对于输入大小来说都是线性的。

多项式求值（Horner规则）

场景介绍

假设有n+2个数a_0,a_1,……,a_n和x序列，要对多项式P_n(x)=a_n*x^n+a_(n-1)*x^(n-1)+…+a_1*x求值，传统的办法是分别对每一个子项求值，然后再对整个式子求值，但是这种方法很低效，因为它需要n+（n-1）+（n-2）+…..+1=n(n+1)/2次乘法。

归纳法解决思路

首先我们发现原式可进行如下化简（这么丑的字不是我写的…）：

化简之后我们可以发现如果我们假设已知P_(n-1)(x)，那么P_n(x)=x*P_(n-1)(x)+a_0,所以就有了算法HORNER。

HORNER算法代码实现

int Horner(int *A,int n,int x){//数组A的长度为n+2，从A[0]到A[n+1]代表了a_0到a_(n+1)

    int p=A[n+1];//p=a_(n+1)
    for (int i = 1; i <=n ; ++i) {
        p=p*x+A[n+1-i];//p=p*x+a_(n-i)
    }

}

寻找多数元素

场景描述

令A[1…n]是一个整数序列，如果该序列中的某一个数x在该序列中出现的次数多余int(n/2)，则称x为该序列的多数元素。

解决方法

• 蛮力法 将每个元素与其他因素进行比较，并且对每一个元素计数，如果某个元素的计数大于int(n/2)，就可以断言它是多数元素。但是这种方法的比较次数是n(n-1)/2=senta(n^2)，代价过于昂贵。
• 利用排序　先将原序列进行排序，在最坏情况下，排序这一步需要Ω(nlogn)次比较。
• 寻找中间元素　因为多数元素排序后一定是中间元素，可以找到该序列的中间元素后扫描整个序列该中间元素的出现次数来验证该元素是否为多数元素，由于中间元素可以在senta(n)时间内找到，这个方法要花费senta(n)时间。
• MAJORITY算法　首先我们需要知道，去掉一个序列中的两个不同的数后该序列原来的多数元素现在依然是新序列的多数元素，所以我们……我们能怎么样呢，这不好描述啊，还是看代码吧……

代码实现

int majority(int *A, int n) {
    int c = candidate(A, 1, n);
    int count = 0;
    for (int i = 1; i <= n; ++i) {
        if (A[i] == c) {
            count++;
        }
    }
    if (count > (int) n / 2) {
        return c;
    } else {
        return NULL;
    }
}

int candidate(int *A, int m, int n) {//寻找A[m...n]中的多数元素
    int j = m;
    int c = A[m];
    int count = 1;
    while (j < n && count > 0) {
        j++;
        if (A[j] == c) {
            count++;
        } else {
            count--;
        }
    }
    if (j == n) {
        return c;
    } else {
        return candidate(A, j + 1, n);
    }
}

四：分治法

什么是分治

一个分治算法把问题实例划分为若干个子问题（一般是两个），并分别使用递归解决每个子实例，然后把这些子实例的解组合起来，得到原问题的解。

举个栗子

考虑这样一个问题：我们需要在序列Ａ[1….n]中找到该序列的最大值元素和最小值元素，一种直接的算法是扫描一遍Ａ序列，用两个标志位max和min分别表示最大值和最小值元素，然后扫描时根据每个元素与当前最大最小值的比较情况动态调整最大最小值直至最后找到最大最小值，代码如下：

void MaxMin(int *A,int n){
    int max,min;
    min=max=A[0];
    for (int i = 1; i <n ; ++i) {
        if(A[i]>max)max=A[i];
        if(A[i]<min)min=A[i];
    }

    cout<<max<<min<<endl;
}

显然，此种方法的元素比较次数是２ｎ－２，但是利用分治策略就可以将元素比较次数减少到(３ｎ)/2-2，具体做法：将数组分割成两半，Ａ[1…n/2]和Ａ[n/2+1…n]，在每一半中分别找到最大值和最小值，并返回这两个最小值中的最小值、这两个最大值中的最大值作为最终的最小、最大值。对应伪代码如下：

(max min) MaxMin2(int *A,int low,int high){
    if (high-low==1){
        if (A[low]<A[high])return (A[low],A[high]);
        else return (A[high],A[low]);
    } else{
        int mid=(high+low)/2;
        (x1,y1)=MaxMin2(A,low,mid);
        (x2,y2)=MaxMin2(A,mid+1,high);
        x=min(x1,x2);
        y=max(y1,y2);

        return (x,y);
    }
}

按照上述算法，设Ａ[1…n]有ｎ个元素，ｎ为２的幂，则仅用３ｎ/2-2次元素比较就可以在数组Ａ中找出最大值和最小值。

二分搜索

分治（递归）实现

原理比较简单，给出代码：

int binarysearch(int *A, int low, int high, int x) {//A是已经排序过的数组,A[1....n]

    if (low > high)return 0;
    int mid = (high + low) / 2;
    if (x == A[mid])return mid;
    if (x < A[mid])return binarysearch(A, low, mid, x - 1);
    else return binarysearch(A, mid + 1, high, x);


}

算法BINARYSEARCHREC在ｎ个元素组成的数组中搜索某个元素所执行的比较次数不超过((int)logn)+1，时间复杂度是Ｏ(logn)。

迭代实现

int binarysearch(int *A, int n, int x) {//A是已经排序过的数组,A[1....n]

    int low, high, j;
    low =1;
    high = n;
    j = 0;//j表示ｘ的下标
    while (low <= high && j == 0) {
        int mid = (high + low) / 2;
        if (x == A[mid])  j = mid;
        else if (x < A[mid])high = mid - 1;
        else low = mid + 1;
    }
    return j;
}

总结

递归和迭代实现二分搜索算法的元素比较次数都在int(logn)+１内，但是迭代算法只需要senta(１)的空间，而递归算法由于递归深度为Ｏ(logn)，每个递归层次需要senta(1)的空间，所以总的需要的空间总量是Ｏ(logn)。

归并（合并）排序

这里需要区分迭代式合并排序和递归式合并排序的区别：

• 迭代式　自底向上
  
• 递归式　自顶向下
  

迭代式

主要思路是将所要排序数列看做若干个有序的小数列，因为将两个有序数列合并之后所得数列还是有序数列，所以经过不断合并，最后可将数列排为有序。

时间空间复杂度及稳定性

• T(n)=O(nlog2–>n)
• S(n)=O(n)
• 稳定

代码

void MSort(vector<int> v) {


    vector<int> h;
    h = v;

    int start, seg;


    for (seg = 1; seg < v.size(); seg *= 2) {
        int k = 0;
        for (start = 0; start < v.size(); start = start + seg * 2) {
            int end;
            end = start + seg;
            int low = start;
            while (low < start + seg && end < start + seg + seg && low < v.size() && end < v.size()) {
                if (v[low] <= v[end]) {
                    h[k++] = v[low];
                    low++;
                } else {
                    h[k++] = v[end];
                    end++;
                }
            }

            while (low < start + seg && low < v.size()) {
                h[k++] = v[low++];
            }
            while (end < start + seg + seg && end < v.size()) {
                h[k++] = v[end++];
            }

        }

        v = h;
    }
    show(v);

}

递归式

主要思路是将待排序序列分成两个小部分，然后再对两个小部分运行相同的排序方法进行递归排序，最后将两个小部分合并起来。

代码

MergeSort（A,1,n）;

void MergeSort(int *A, int low, int high) {
    if (low < high) {
        int mid = (high + low) / 2;
        MergeSort(A, low, mid);
        MergeSort(A, high, mid + 1);
        Merge(A, low, mid, high);
    }
}

void Merge(int *A, int low, int mid, int high) {
    int n = high - low;
    int B[high - low];
    int b = mid;
    int i;
    for (i = 0; i < n && low < mid && b < high; ++i) {
        if (A[low] < A[b]) {
            B[i] = A[low++];
        } else {
            B[i] = A[b++];
        }
    }

    for (int j = low; j < mid; ++j) {
        B[i] = A[j];
    }
    for (int k = b; k < high; ++k) {
        B[i] = A[k];
    }

    for (int l = low; l <high ; ++l) {
        A[l]=B[i];
    }
}

总结

算法MergeSort对一个n个元素的数组排序所需的时间是senta(nlogn)，空间是senta(n).

寻找中项和第k小元素

场景描述

寻找序列A[1…n]中的第k小元素。

算法描述

传统的方法是直接将A[1…n]进行排序，然后取排序后的序列的第k个即为第k小元素，但是这种方法需要Ω(nlogn)的时间，因为任何基于比较的排序过程在最坏情况下必须花费这么多时间，所以我们选择一种新的算法：
我们要在n个元素中找到第k小元素的实质是寻找第k小元素在A中的位置，所以我们可以将A划分成三个子序列A1 A2 A3，其中A2为单个元素的序列，A1中的所有元素小于A2，A3中的所有元素大于A2，此时就有以下几种情况：

• 如果A1的长度大于k则A序列中第K小元素一定在A1中，我们只需寻找A1中的第k小元素即可
• 如果A1的长度等于k-1，则A2中的那个单元素就是我们要找的第k小元素
• 如果A1的长度小于k-1，则我们需要在A3序列中找到第k-len(A1)-1小元素

这样，我们就可以采用分治的思想将原来的n个元素中寻找第k小元素不断缩小范围最终找到目标元素，具体算法步骤描述如下：

SELECT 算法描述

1. 如果数组元素个数小于 44,则直接将数组排序并返回第 k小元素(采用直接的方法来解决问题,因为当总元素个数小于44*5=220的时候用直接的方法解决问题更快)。
2. 把 n 个元素以每组 5 个元素划分为 int( n/5) 组,如果 n 不是 5的倍数则抛弃剩余元素。
3. 对每组进行排序,之后取出每组的中间项(第 3 个元素)。
4. 递归调用 SELECT 算法,得到这些中间项序列中的中项元素 mm

5. 根据 mm,将原数组 A 划分为三个子数组:

   • A1={小于 mm 的元素};
   • A2={等于 mm 的元素};
   • A3={大于 mm 的元素};

6. 根据 k 的大小,判断第 k 小元素会出现在 A1,A2,A3 中的
   哪一个数组里,之后,或者返回第 k 小元素(mm,在 A2
   中),或者在 A1 或 A3 上递归。

   • k

代码实现

void sort(int *A, int low, int high) {
    for (int i = low; i < high; ++i) {
        for (int j = i + 1; j < high; ++j) {
            if (A[i] > A[j]) {
                int t = A[i];
                A[i] = A[j];
                A[j] = t;
            }
        }
    }
}

int Select(int *A, int low, int high, int k) {
    int p = high - low + 1;
    if (p < 44) {
        sort(A, low, high);
        return A[k];

    }
    int q = p / 5;
    int M[q];

    for (int i = 0; i < q; ++i) {
        sort(A, i * 5, (i + 1) * 5);//将A分成q组，每组5个元素，如果5不整除p，则排除剩余元素
        M[i] = A[i * 5 + 3];//M为q个子序列中的中项（中项集合）
    }

    int mm = M[q / 2];//mm为中项集合的中项
    int *A1, a1 = 0;
    int *A2, a2 = 0;
    int *A3, a3 = 0;
    //这里节省空间没有new（其实是懒...）
    for (int j = low; j < high; ++j) {
        if (A[j] < mm)A1[a1++] = A[j];
        if (A[j] = mm)A2[a2++] = A[j];
        if (A[j] > mm)A3[a3++] = A[j];
    }
    if (a1 >= k)return Select(A1, 1, a1, k);
    if (a1 + a2 == k)return mm;
    if (a1 + a2 < k)return Select(A3, 1, a3, k - a1 - a2);


}

复杂度分析

在一个由n个元素组成的线序集合中提取第k小元素，所需的时间是senta(n)(T(n)<=20cn,c是排序43个元素所需的时间)，特别地，n个元素元素的中值可以在senta(n)时间找出。
需要注意的是，虽然此算法所需的时间是senta(n)但是其中的倍数常量（20c）还是太大，我们会在随讲机算法的时候提出一个具有较小倍数常量的算法。

快速排序（QuickSort）

快速排序（QuickSort）是一种具有senta(nlogn)时间复杂度的排序算法，相比MergeSort，QuickSort不需要辅助的存储空间，这是它的优势。

划分算法（Split）

在进行快速排序算法的实现之前我们需要先实现划分算法，它是快速排序算法的基础。

什么是划分算法

设A[low…high]是一个包含n个数的序列，设x=a[low],我们希望对A中的元素进行位置调整后实现当i< new index of x时A[i]< x,当i> new index of x时A[i]>x。

实现思路

对一个指定序列A[low…high]，从A[low+1]开始向后扫描元素，如果当前元素a<=A[low]，则将a与第A[i]的元素互换位置，其中i是从low开始的，每进行一次元素的互换之前i++，最后，当A中元素扫描完毕时所有小于等于A[low]的元素都在i之前的位置（包括A[i]），所以此时只需将A[low]和A[i]的元素互换位置即可满足划分的定义，此时的i对应的就是元素A[low]的新位置.

代码实现

int Split(int *A, int low, int high) {//输入一个序列，返回A[low]对应元素的新位置
    int i = low;
    int x = A[low];
    for (int j = low + 1; j <= high; ++j) {
        if (A[j] <= x) {
            i++;
            if (i != j) {
                int t = A[i];
                A[i] = A[j];
                A[j] = t;
            }
        }
    }

    int t;
    t = A[low];
    A[low] = A[i];
    A[i] = t;

    return i;
}

复杂度分析

因为算法split的元素比较次数恰好是n-1，所以它的时间复杂性为senta(n).

排序算法

算法思想

算法QuickSort的主要思路是利用Split算法将A[low…high]中的A[low]排列到其正确的位置A[w]，然后对子数组A[low…w-1]和子数组A[w+1…high]递归地进行排序从而产生整个排序数组。

代码实现

void QuickSort(int *A, int low, int high) {
    if (low < high) {
        int w = Split(A, low, high);//w为A[low]的新位置
        QuickSort(A, low, w - 1);
        QuickSort(A, w + 1, high);
    }
}

复杂度分析

算法QuickSort对n个元素的数组进行排序时执行的平均比较次数是senta(nlogn)

五：动态规划

什么是动态规划

基本概念

动态规划过程是：每次决策依赖于当前状态，又随即引起状态的转移。一个决策序列就是在变化的状态中产生出来的，所以，这种多阶段最优化决策解决问题的过程就称为动态规划。动态规划是一种被广泛用于求解组合最优化问题的算法。

算法思想

算法思想与分治法类似，也是将待求解的问题分解为若干个子问题（阶段），按顺序求解子阶段，前一子问题的解，为后一子问题的求解提供了有用的信息。在求解任一子问题时，列出各种可能的局部解，通过决策保留那些有可能达到最优的局部解，丢弃其他局部解。依次解决各子问题，最后一个子问题就是初始问题的解。
由于动态规划解决的问题多数有重叠子问题这个特点，为减少重复计算，对每一个子问题只解一次，将其不同阶段的不同状态保存在一个二维数组中。

与分治法的差别

适合于用动态规划法求解的问题，经分解后得到的子问题往往不是互相独立的（即下一个子阶段的求解是建立在上一个子阶段的解的基础上，进行进一步的求解）。

适用的情况

能采用动态规划求解的问题的一般要具有3个性质：

• 最优化原理：如果问题的最优解所包含的子问题的解也是最优的，就称该问题具有最优子结构，即满足最优化原理。

• 无后效性：即某阶段状态一旦确定，就不受这个状态以后决策的影响。也就是说，某状态以后的过程不会影响以前的状态，只与当前状态有关。

• 有重叠子问题：即子问题之间是不独立的，一个子问题在下一阶段决策中可能被多次使用到。（该性质并不是动态规划适用的必要条件，但是如果没有这条性质，动态规划算法同其他算法相比就不具备优势）

最长公共子序列问题

问题描述

给定两个长度为n和m的字符串A和B，确定A和B中最长公共子序列的长度。

解决思路

• 传统算法 一种传统的方式是使用蛮力搜索的方法，列举A所有的2^n个子序列对于每一个子序列子在senta(m)时间内来确定它是否也是B的子序列。该算法的时间复杂性是senta(m2^n)，是指数复杂性的。

• 动态规划算法 寻找一个求最长公共子序列的递推公式，令A=a_1a_2a_3….a_n和B=b_1b_2b_3…b_m，令L[i,j]表示a_1a_2_3…a_i和b_1b_2b_3…b_j的最长公共子序列的长度，则就有当i和j都大于0的时候，如果a_i=b_j，则L[i,j]=L[i-1,j-1]+1，反之，如果a_i!=b_j，则L[i,j]=max(L[i-1,j],L[i,j-1])所以就有以下递推公式：

L[i,j]=0 i==0||j==0

L[i,j]=L[i-1,j-1]+1 i,j>0&&a_i==b_j

L[i,j]=max(L[i-1,j],L[i,j-1]) i,j>0&&a_i=b_j

代码实现

输入A和B字符串，返回二者的最长子序列长度

int Lcs(char *A, int n, char *B, int m) {//A[0...n] B[0...m]
    int L[n + 1][m + 1];
    for (int i = 0; i <= n; ++i) {
        L[i][0] = 0;
    }
    for (int j = 0; j <= m; ++j) {
        L[0][j] = 0;
    }

    for (int k = 1; k <= n; ++k) {
        for (int i = 1; i <= m; ++i) {
            if (A[k] == B[i])L[k][i] = L[k - 1][i - 1] + 1;
            else L[k][i] = L[k][i - 1] > L[k - 1][i] ? L[k][i - 1] : L[k - 1][i];
        }
    }

    return L[n][m];
}

注意，以上算法需要的空间复杂度是senta(mn)，但是因为计算表中每一项的计算仅仅需要其上一行和上一列的元素，所以对算法进行改进可以使得空间复杂度降为senta(min(m,n)) （准确来说是需要2min(m,n)的空间，仅仅将前一行和当前行存储下来即可）。

结论

最长公共子序列问题的最优解能够在senta(mn)时间和senta(min(m,n))空间内计算得到。

矩阵链相乘

问题描述

给定一个n个矩阵的序列⟨A1,A2,A3…An⟩,我们要计算他们的乘积：A1A2A3…AnA1A2A3…An，由于矩阵乘法满足结合律，加括号不会影响结果，但是不同的加括号方法，算法复杂度有很大的差别：
考虑矩阵链⟨A1,A2,A3⟩，三个矩阵规模分别为10×100、100×5、5×50：

• 按((A1A2)A3)方式，需要做10∗100∗5=5000次，再与A3相乘，又需要10∗5∗50=2500，共需要7500次运算；
• 按(A1（A2A3）)方式计算，共需要100∗5∗50+10∗100∗50=75000次标量乘法

以上两种不同的加括号方式具有10倍的差别，可见一个好的加括号方式，对计算效率有很大影响。

解决思路

使用一个长度为n+1的一维数组p来记录每个矩阵的规模，其中n为矩阵下标，i的范围1~n，例如对于矩阵Ai而言，它的规模应该是p[i-1]×p[i]。由于i是从1到n取值，所以数组p的下标是从0到n。

用于存储最少乘法执行次数和最佳分段方式的结构是两个二维数组m和s，都是从1~n取值。m[i][j]记录矩阵链< Ai,Ai+1,…,Aj>的最少乘法执行次数，而s[i][j]则记录 最优质m[i][j]的分割点k。

需要注意的一点是当i=j时，m[i][j]=m[i][i]=0，因为一个矩阵不需要任何乘法。

假设矩阵链从Ai到Aj，有j-i+1个矩阵，我们从k处分开，将矩阵链分为Ai~Ak和Ak+1到Aj两块，那么我们可以比较容易的给出m[i][j]从k处分隔的公式：

   m[i][j]=m[i][k]+m[k+1][j]+p[i-1]*p[k]*p[j]；

在一组确定的i和j值的情况下，要使m[i][j]的值最小，我们只要在所有的k取值中（i<=k< j)，寻找一个让m[i][j]最小的值即可。

假设L为矩阵链的长度，那么L=j-i+1。当L=1时，只有一个矩阵，不需要计算。那么我们可以从L=2到n进行循环，对每个合理的i和j值的组合，遍历所有k值对应的m[i][j]值，将最小的一个记录下来，存储到m[i][j]中，并将对应的k存储到s[i][j]中，就得到了我们想要的结果。

代码

/*
 * 输入：ms[1...n+1],ms[i]表示第i个矩阵的行数，ms[i+1]表示第i个矩阵的列数
 * 输出：n个矩阵的数量乘法的最小次数
 */

int dp[1024][1024] = { 0 };

struct Matrix {
    int row;
    int column;
};

int matrixChainCost(Matrix *ms, int n) {
    for (int scale = 2; scale <= n; scale++) {
        for (int i = 0; i <= n - scale; i++) {
            int j = i + scale - 1;
            dp[i][j] = INT_MAX;
            for (int k = i; k < j; k++) {
                dp[i][j] = std::min(dp[i][j], dp[i][k] + dp[k+1][j] + (ms[i].row*ms[k].column*ms[j].column));
            }
        }
    }
    return dp[0][n - 1];
}

复杂度分析

• 时间复杂度：senta(n^3)
• 空间复杂度：senta(n^2)

所有点对的最短路径问题

问题描述

设G是一个有向图，其中每条边(i, j)都有一个非负的长度L[i, j]，若点i 到点j 没有边相连，则设L[i, j] = ∞. 找出每个顶点到其他所有顶点的最短路径所对应的长度。
例如：

则 L： 0　　2　　9

　　　　8　　0　　6

　　　　1　　∞　 0

解决思路（Floyd算法）

Floyd算法（所有点对最短路径）就是每对可以联通的顶点之间总存在一个借助于其他顶点作为媒介而达到路径最短的最短路径值（这个值通过不断增添的媒介顶点而得到更新，也可能不更新——通过媒介的路径并不比其原路径更短），所有的值存储于邻接矩阵中，这是典型的动态规划思想。

值得注意的是，Floyd算法本次的状态的获取只用到了上个阶段的状态，而没有用到其他阶段的状态，这就为压缩空间奠定了条件。

Floyd算法能够成功的关键之一就是D0(初始矩阵，即权重矩阵)的初始化，凡是不相连接的边必须其dij必须等于正无穷且dii=0(矩阵对角线上的元素！)　

代码实现

/*
 * 输入：n×n维矩阵l[1...n,1...n]，对于有向图G=({1,2,...n},E)中的边(i,j)的长度为l[i,j]
 * 输出：矩阵D，使得D[i,j]等于i到j的距离
 * l矩阵需要满足：l[i,i]=0，对于m-->n没有直接连接的有向边（因为是有向图，只考虑单边），应有l[m,n]=INT.MAX（即无穷）
 *
 */

void Floyd(int **l,int n){
    int **d= reinterpret_cast<int **>(new int[n + 1][n + 1]);
    for (int i = 1; i <=n ; ++i) {
        for (int j = 1; j <=n ; ++j) {
            d[i][j]=l[i][j];
        }
    }

    for (int k = 1; k <=n ; ++k) {
        for (int i = 1; i <=n ; ++i) {
            for (int j = 1; j <=n ; ++j) {
                d[i][j]=min(d[i][j],d[i][k]+d[k][j]);
            }

        }
    }

}

复杂度分析

算法的运行时间是senta(n^3)
算法的空间复杂性是senta(n^2)

背包问题

问题描述

设U={u1,u2,u3…un}是一个准备放入容量为C的背包中的n项物品的集合。我们要做的是从U中拿出若干物品装入背包C，要求这些物品的总体积不超过C，但是要求装入背包的物品总价值最大。

解决思路

有 n 种物品，物品 i 的体积为 v[i], 价值为 p[i]. 假定所有物品的体积和价格都大于 0, 以及背包的体积为 V.
mp[x][y] 表示体积不超过 y 且可选前 x 种物品的情况下的最大总价值
那么原问题可表示为 mp[n][V]。
递归关系：

递归式	解释
mp[0][y] = 0	表示体积不超过 y 且可选前 0 种物品的情况下的最大总价值，没有物品可选，所以总价值为 0
mp[x][0] = 0	表示体积不超过 0 且可选前 x 种物品的情况下的最大总价值，没有物品可选，所以总价值为 0
当 v[x] > y 时，mp[x][y] = mp[x-1][y]	因为 x 这件物品的体积已经超过所能允许的最大体积了，所以肯定不能放这件物品， 那么只能在前 x-1 件物品里选了
当 v[x] <= y 时，mp[x][y] = max{ mp[x-1][y] , p[x] + mp[x-1][y-v[x]]（选中A，则其余y-v[x]应在前x-1件物品中选） }	x 这件物品可能放入背包也可能不放入背包，所以取前两者的最大值就好了， 这样就将前两种情况都包括进来了

代码

/*
 * 输入：物品集合U={u1,u2,u3...un}，体积为s1,s2,s3...sn，价值为v1,v2,v3...vn，容量为C的背包
 * 输出：满足条件的最大价值
 *
 */
int Knapsack(int *s,int *v,int C,int n){
    int V[n+1][C+1];//V[i][j]表示从前i项找出的装入体积为j背包的最大值
    for (int i = 0; i <=n ; ++i) {
        V[i][0]=0;
    }
    for (int j = 0; j <=C ; ++j) {
        V[0][j]=0;
    }

    for (int k = 1; k <=n ; ++k) {
        for (int i = 1; i <=C ; ++i) {
            if(s[k]<=i){
                V[k][i]=max(V[k-1][i],V[k-1][i-s[k]]+v[k]);
            }
        }
    }

    return V[n][C];
}

算法复杂度

背包问题的最优解可以在senta(nC)时间内和senta(C)空间内解得。
注意，上述算法的时间复杂性对输入不是多项式的，但是它的运行时间关于输入值是多项式的（时间复杂性+其他耗费时间），故认为它是伪多项式时间算法。

六：贪心算法

引言

所谓贪心算法是指，在对问题求解时，总是做出在当前看来是最好的选择。也就是说，不从整体最优上加以考虑，他所做出的仅是在某种意义上的局部最优解。
贪心算法没有固定的算法框架，算法设计的关键是贪心策略的选择。必须注意的是，贪心算法不是对所有问题都能得到整体最优解，选择的贪心策略必须具备无后效性，即某个状态以后的过程不会影响以前的状态，只与当前状态有关。
所以对所采用的贪心策略一定要仔细分析其是否满足无后效性。

最短路径问题

问题描述

给定一个有向图G=(V,E),s为V中一点,以s为起点,要确定从s出发到V中每一个其他顶点的距离(距离的定义是最短路径对应的长度).

Dijkstra算法

算法步骤

• 初始时，S只包含源点，即S＝{v}，v的距离为0。U包含除v外的其他顶点，即:U={其余顶点}，若v与U中顶点u有边，则 < u,v >正常有权值，若u不是v的出边邻接点，则 < u,v > 权值为∞

• 从U中选取一个距离v最小的顶点k，把k，加入S中（该选定的距离就是v到k的最短路径长度）

• 以k为新考虑的中间点，修改U中各顶点的距离；若从源点v到顶点u的距离（经过顶点k）比原来距离（不经过顶点k）短，则修改顶点u的距离值，修改后的距离值的顶点k的距离加上边上的权

• 重复步骤b和c直到所有顶点都包含在S中

代码

const int  MAXINT = 32767;
const int MAXNUM = 10;
int dist[MAXNUM];//表示距离
int prev[MAXNUM];//记录每个顶点的前驱顶点(因为最短路径的唯一性,所以每个点的前驱元素都是唯一的)

int A[MAXUNM][MAXNUM];

void Dijkstra(int v0)
{
  　　bool S[MAXNUM];                                  // 判断是否已存入该点到S集合中
      int n=MAXNUM;
  　　for(int i=1; i<=n; ++i)//初始化dist[]、prev[]
 　　 {
      　　dist[i] = A[v0][i];
      　　S[i] = false;                                // 初始都未用过该点
      　　if(dist[i] == MAXINT)   //如果该点与源点之间无边 
            　　prev[i] = -1;
 　　     else 
            　　prev[i] = v0;
   　　}
   　 dist[v0] = 0;
   　 S[v0] = true; 　　
 　　 for(int i=2; i<=n; i++)
 　　 {
       　　int mindist = MAXINT;
       　　int u = v0; 　　                            // 找出当前未使用的点j的dist[j]最小值
      　　 for(int j=1; j<=n; ++j)
      　　    if((!S[j]) && dist[j]<mindist)//如果j点没有被用过而且dist[j]小于mindist
      　　    {
         　　       u = j;                             // u保存当前邻接点中距离最小的点的号码 
         　 　      mindist = dist[j];
       　　   }
       　　S[u] = true; //将u置为已用
       　　for(int j=1; j<=n; j++)//更新u加入已用集合后的未用顶点集合中点到已用集合中点的距离
       　　    if((!S[j]) && A[u][j]<MAXINT)
       　　    {
           　    　if(dist[u] + A[u][j] < dist[j])     //在通过新加入的u点路径找到离v0点更短的路径  
           　    　{
                   　　dist[j] = dist[u] + A[u][j];    //更新dist 
                   　　prev[j] = u;                    //记录前驱顶点 
            　　    }
        　    　}
   　　}
}

算法复杂度

算法的时间复杂度是senta(n^2)

稠图的线性时间算法

稠(臭)图不想看，也许不考…

最小耗费生成树

问题描述

设G = (V,E)是无向连通带权图，即一个网络。E中的每一条边（v,w）的权为c[v][w]。如果G的子图G’是一棵包含G的所有顶点的树，则称G’为G的生成树。生成树上各边权的总和称为生成树的耗费。在G的所有生成树中，耗费最小的生成树称为G的最小生成树。
最小生成树最常见的题就是求解n个城市之间的修路方案问题.

Kruskal算法

算法描述

给定无向连通带权图G = (V,E),V = {1,2,…,n}。Kruskal算法构造G的最小生成树的基本思想是：

• 将G的n个顶点看成n个孤立的连通分支,将所有的边按权从小大排序。

• 从第一条边开始，依边权递增的顺序检查每一条边。并按照下述方法连接两个不同的连通分支：当查看到第k条边(v,w)时，如果端点v和w分别是当前两个不同的连通分支T1和T2的端点时，就用边(v,w)将T1和T2连接成一个连通分支，然后继续查看第k+1条边；如果端点v和w在当前的同一个连通分支中，就直接再查看k+1条边。这个过程一个进行到只剩下一个连通分支时为止。

此时，已构成G的一棵最小生成树。

代码实现

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <algorithm>
#include <cstring>
using namespace std;

#define maxn 110    //最多点个数
int n, m;   //点个数，边数
int parent[maxn];   //父亲节点，当值为-1时表示根节点
int ans;    //存放最小生成树权值
struct eage     //边的结构体，u、v为两端点，w为边权值
{
    int u, v, w;
}EG[5010];

bool cmp(eage a, eage b)    //排序调用
{
    return a.w < b.w;
}

int Find(int x)     //寻找根节点，判断是否在同一棵树中的依据
{
    if(parent[x] == -1) return x;
    return Find(parent[x]);
}

void Kruskal()      //Kruskal算法，parent能够还原一棵生成树，或者森林
{
    memset(parent, -1, sizeof(parent));
    sort(EG+1, EG+m+1, cmp);    //按权值将边从小到大排序
    ans = 0;
    for(int i = 1; i <= m; i++)     //按权值从小到大选择边
    {
        int t1 = Find(EG[i].u), t2 = Find(EG[i].v);
        if(t1 != t2)    //若不在同一棵树种则选择该边，合并两棵树
        {
            ans += EG[i].w;
            parent[t1] = t2;
        }
    }
}

复杂度分析

当图的边数为e时，Kruskal算法所需的时间是O(eloge).

Prim算法

算法描述

设G = (V,E)是连通带权图，V = {1,2,…,n}。构造G的最小生成树,Prim算法的基本思想是：首先置S = {1}，然后，只要S是V的真子集，就进行如下的贪心选择：选取满足条件i ∈S,j ∈V – S,且c[i][j]最小的边，将顶点j添加到S中。这个过程一直进行到S = V时为止。在这个过程中选取到的所有边恰好构成G的一棵最小生成树。

代码实现

/* Prim算法生成最小生成树  */
void MiniSpanTree_Prim(MGraph MG)
{
    int min, i, j, k;
    int adjvex[MAXVEX];/* 保存相关顶点的父亲节点 */
    int lowcost[MAXVEX];/* 保存相关顶点间边的权值 */
    lowcost[0] = 0;/* 初始化第一个权值为0，即v0加入生成树 */
    /* lowcost的值为0，在这里就是此下标的顶点已经加入生成树 */
    adjvex[0] = 0;/* 初始化第一个顶点下标为0 */
    cout << "最小生成树的边为：" << endl;
    for (i = 1; i < MG.numVertexes; i++)
    {
        lowcost[i] = MG.arc[0][i];/* 将v0顶点与之有边的权值存入数组 */
        adjvex[i] = 0;/* 初始化都为v0的下标 */
    }

    for (i = 1; i < MG.numVertexes; i++)
    {
        min = INFINITY; /* 初始化最小权值为∞， */

        j = 1;
        k = 0;

        while (j < MG.numVertexes)/* 循环全部顶点 */
        {
            if (lowcost[j] != 0 && lowcost[j] < min)/* 如果权值不为0且权值小于min */
            {
                min = lowcost[j];/* 则让当前权值成为最小值 */
                k = j;/* 将当前最小值的下标存入k */
            }

            j++;
        }

        cout << "(" << adjvex[k] << ", " << k << ")" << "  "; /* 打印当前顶点边中权值最小的边 */
        lowcost[k] = 0;/* 将当前顶点的权值设置为0,表示此顶点已经完成任务 */

        for (j = 1; j < MG.numVertexes; j++)/* 循环所有顶点 */
        {
            /* 如果下标为k顶点各边权值小于此前这些顶点未被加入生成树权值 */
            if (lowcost[j] != 0 && MG.arc[k][j] < lowcost[j])
            {
                lowcost[j] = MG.arc[k][j];/* 将较小的权值存入lowcost相应位置 */
                adjvex[j] = k;/* 将k设为下标j的父亲节点 */
            }
        }
    }
    cout << endl;
}

复杂度分析

此算法的时间复杂度为O(n^2)

总结

（这个写的我也看不懂了…应该是当时笔误，具体想表达什么意思猜猜吧）
当e = Ω(n^2)时，Kruskal算法比Prim算法差；
但当e = o(n^2)时，Kruskal算法比Prim算法好得多。

七：NP完全问题

如果一个算法的最差时间效率属于 O ( p ( n )) ,其中 p (n ) 是问题输入规模 n 的一个多项式函数,我们说该算法能够在多项式的时间内对问题求解。
我们把可以在多项式时间内求解的问题称为易解的,而不能在多项式时间内求解的问题则称为难解的。

P和NP问题

非正式地说，我们可以把那些能够在多项式时间内求解的问题当作计算机科学家所说的* P 集合*。
正式点，只有那些能够回答是或否的问题（又称判定问题）才属于 P。

P 类问题

P 类问题是一类能够用确定性算法在多项式时间内求解的判定问题。
这种问题类型也称为多项式类型。

绝大多数判定问题的一个公共特性是:

虽然在计算上对问题求解可能是困难的,但在计算上判定一个待定解是否解决了该问题却是简单的,并且,这种判定可以在多项式时间内完成。

一个不确定算法是一个两阶段的过程,它把一个判定问题的实例 l 作为它的输入,并进行下面的操作:

• 猜测(非确定)阶段:
  

  生成一个任意串 S,把它当作给定实例 l 的一个候选解,但 S也可能是完全不着边际的。

• 验证(确定)阶段:
  确定算法把 l 和 S 都作为它的输入,如果 S 的确是 l 的一个解的话,就输出“是”;
  如果 S 不是 l 的一个解,该算法要么返回“否”,要么就根本停不下来。

如果一个不确定算法在验证阶段的时间效率是多项式级的,我们说它是 不确定多项式类型的算法。 **NP 类问题**(Non-deterministic Polynomial)是一类可以用不确定多项式算法求解的判定问题。我们把这种问题类型称为不确定多项式类。 我们说一个判定问题 D 1 可以多项式地化简为一个判定问题 D 2 ,条件是存在一个函数 t 能够把 D 1 的实例转化为D 2 的实例,使得:

• t 把 D 1 的所有真实例映射为 D 2 的真实例,把 D 1 的所有假实例映射为 D 2 的假实例。
• t 可以用一个多项式算法计算。

我们说一个判定问题 D 是 NP 完全问题,条件是:

• 它属于 NP 类型。
• NP 中的任何问题都能够在多项式时间内化简为 D。

NP 完全问题:

合取范式的可满足性问题
哈密顿回路问题
旅行商问题

NP 完全问题的定义意味着,如果我们得到了一个 NP 完全问题的多项式确定算法,就说明所有的 NP 问题都能够用一个确定算法在多项式的时间内解出,因此,P = NP.换句话说,得到了一个 NP 完全问题的多项式确定性算法可以表明,对于所有类型的判定问题来说,检验待定解和在多项式时间内求解在复杂性上没有本质的差别。
这种推论使得大多数计算机科学家相信 P ≠ NP但是,到目前为止,还没有人能从数学上证明这一猜想。

八：回溯算法

概述

回溯算法是一种组织搜索的一般技术，它常常可以避免搜索所有的可能性，适用于求解那些有潜在的大量解但是有限个数的解已经检查过的问题。

3着色问题

问题描述

给出一个无向图G=(V,E)，需要用三种颜色之一为V中的每个顶点着色，要求没有两个相邻的顶点有相同的颜色。

算法思想

我们称没有两个邻接顶点有同样颜色的着色方案为合法的，反之成为非法的。如果不考虑合法性的要求，给出n个顶点的无向图，将其用三种颜色着色，共有n^3种不同的方法，因为每一个顶点都有三种不同的着色方案，这就构成了一颗三叉树，如图：

在该三叉树中，从根到叶子节点的每一条路径代表一种着色方法（合法的和不合法的），我们需要做的就是选出一条合法的从根到叶子的路径即可。所以我们从根节点开始向叶子节点走，这时有两种情况：

• 从根到当前节点的路径对应一个合法的着色：

  • 当前路径长度等于n：过程终止（除非希望找到不止一种着色方案）
  • 当前路径长度小于n：生成当前节点的一个子节点，并将生成的当前节点的子节点标记为新的当前节点
• 从根到当前节点的路径对应一个非法的着色：回溯到当前节点的父节点即将当前节点的父节点标记为新的当前节点

代码

使用数组c[1…n]代表图的顶点集合，判断合法性只需判断与当前有联系的点中是否存在与之涂色相同的点即可，此处为节省时间省略该部分代码的实现。

迭代法

void ColorItre(int *c) {//c[1...n]
    for (int i = 1; i <= n; ++i) {
        c[i] = 0;
    }
    bool flag = false;
    int k = 1;
    while (k >= 1) {
        while (c[k] <= 2) {//从0-2对应三种涂色（实际上是 下面加一之后的1-3对应三种不同颜色）
            c[k] = c[k] + 1;
            if (c[k]为合法的){
                if (k == n) {//如果k已经是最后一个点
                    flag = true;
                    break;
                } else {
                    k++;
                }

            }
        }

        if (flag) {
            break;
        }

        //如果第二个循环跳出执行到这里，则说明当前节点k试遍了三种颜色仍然没有找到合法的着色，则将k--进行回溯，注意要将c[k]置为初始值0
        c[k] = 0;
        k--;
    }

    if (flag) {
        cout << "success" << endl;
    } else {
        cout << "no solution" << endl;
    }

}

递归法

void ColorRec(int *c) {//c[1...n]
    for (int i = 1; i <= n; ++i) {
        c[i] = 0;
    }

    bool flag = false;
    flag = graphcolor(c, 1);
    if (flag) {
        cout << "success" << endl;
    } else {
        cout << "no solution" << endl;
    }
}

bool graphcolor(int *c, int i) {
    for (int color = 1; color <= 3; ++color) {
        c[i] = color;
        if (c[i]是合法的){
            if (i < n) {
                graphcolor(c, i + 1);
            } else {
                return true;
            }
        }
    }
    //如果执行到这里说明当前节点不存在合法着色，需要回溯，返回false即可激活前一次递归（即让前一层for循环的color加一），以此达到回溯的目的
    return false;
}

复杂度分析

这两种实现方式在最坏情况下生成了O(3^n)个节点，对于每个生成的节点，判断当前节点的合法性（合法、部分、二者都不是）需要O(n)的工作来检查，因此，最坏情况下的运行时间是O(n3^n)。

回溯法的特点

• 节点是使用深度优先搜索算法生成的
• 不需要存储整棵搜索树，只需存储根到当前活动节点的路径

8皇后问题

代码见两种不同方式解决八皇后问题，此处主要介绍算法思路。

问题描述

八皇后问题是一个以国际象棋为背景的问题：如何能够在 8×8 的国际象棋棋盘上放置八个皇后，使得任何一个皇后都无法直接吃掉其他的皇后？为了达到此目的，任两个皇后都不能处于同一条横行、纵行或斜线上。八皇后问题可以推广为更一般的n皇后摆放问题：这时棋盘的大小变为n×n，而皇后个数也变成n。当且仅当 n = 1 或 n ≥ 4 时问题有解。

代码

代码和着色问题代码几乎一样，这里不做过多介绍，给出参考代码：

void eight_Queens() {
    int c[9];
    for (int i = 1; i <= 8; ++i) {
        c[i] = 0;
    }

    bool flag = false;
    int k = 1;
    while (k >= 1) {
        while (c[k] <= 7) {
            c[k]++;
            if (c[k]为合法着色){
                if (k == 8) {
                    flag = true;
                    break;
                } else {
                    k++;
                }
            }
        }
        if (flag) {
            break;
        }
        c[k] = 0;
        k--;
    }

    if (flag) {
        cout << "success" << endl;
    } else {
        cout << "no solution" << endl;
    }
}

复杂度分析

回溯法在最坏情况下需要O（n^2）的运行时间。
但是需要注意，虽然蛮力搜索法的最坏情况也需要 O（n^2）的时间，但是根据经验回溯法的有效性远远超过蛮力法。(鬼知道这是谁的经验，反正只要知道考试用蛮力法肯定会xx)

一般回溯方法

什么是一般回溯法

在回溯法中，解向量中每个xi都属于一个有限的线序集Xi，因此，算法最初从空向量开始，然后选择X1中最小的元素作为x1，如果（x1）是一个部分解，算法从X2中找出最小的元素作为x2继续，如果（x1，x2）是一个部分解，则从X3中找出最小元素作为x3，否则跳过x2寻找下一个。一般地，假如算法已经找到部分解（x1,x2,x3…,xj），在判断v=（x1,x2,x3…,xj,x_j+1）时有以下情况：

• v是最终解：记录下当前v作为一组解，如果只想求得一组解则算法结束，否则继续寻找其他解
• v是一组部分解：从X_j+2中寻找新的最小元素继续向前走
• v既不是最终解也不是部分解：
  
  • X_j+1中还有其他元素可供选择：在X_j+1中寻找下一个元素
  • X_j+1中没有其他元素可供选择：将x_j置为X_j中的下一个元素回溯，如果X_j中仍然没有其他元素可供选择，则照此方法继续向前回溯。

分支限界法

算法介绍

分支限界法（branch and bound method）是求解纯整数规划或混合整数规划问题的经典方法，在上世纪六十年代由Land Doig和Dakin等人提出。这种方法灵活且便于用计算机求解，目前已经成功运用于求解生产进度问题、旅行推销员问题、工厂选址问题、背包问题及分配问题等。算法基本思想如下：

• 按宽度优先策略遍历解空间树；
• 在遍历过程中，对处理的每个结点vi，根据界限函数，估计沿该结点向下搜索所可能达到的完全解的目标函数的可能取值范围—界限bound(vi)=[downi, upi]；
• 从中选择使目标函数取的极值(最大、最小)的结点优先进行宽度优先搜索，从而不断调整搜索方向，尽快找到问题解。

各结点的界限函数bound(vi)=[downi, upi]是解决问题的关键，通常依据具体问题而定。常见的两种分支限界法是队列式分支限界法和优先队列式分支限界法，它们分别按照队列先进先出的原则和优先队列中规定的优先级选取下一个节点为扩展节点。

分支限界法与回溯法的区别

求解目标不同

• 回溯法的求解目标是找出解空间树中满足约束条件的所有解

• 分支限界法的求解目标则是尽快找出满足约束条件的一个解，或是在满足约束条件的解中找出在某种意义下的最优解

• 分支限界法通常用于解决离散值的最优化问题

搜索方式不同

• 回溯法以深度优先的方式（遍历结点）搜索解空间树
• 分支限界法以广度优先或最小耗费优先的方式搜索解空间树

对扩展结点的扩展方式不同

• 分支限界法中，每一个活结点只有一次机会成为扩展结点，活结点一旦成为扩展结点，就一次性产生其所有儿子结点
• 重复上述结点扩展过程，直至到找到所需的解或活结点表为空时为止

Demo——旅行商问题求解

参考：这里

问题描述

给出一个城市的集合和一个定义在每一对城市之间的耗费函数，找出耗费最小的旅行。

解决思路

考虑下图所示的情况及其代价矩阵，假定起始城市为1号城市：

注意代价矩阵的特点，每条满足要求的回路在代价矩阵中的每一行每一列有且只有1个元素与之对应。据此，我们可以用贪心算法计算问题的上界：
以起始城市作为出发城市，每次从当前出发城市发出的多条边中，选择没有遍历过的最短边连接的城市，作为下一步达到城市。在这个问题中，从城市1出发，途经1→3→5→4→2→1，路径长度1+2+3+7+3=16作为上界，即最短路径长度<=16。
对于下界，一个简单的办法是直接将矩阵中每一行的最小元素相加，在这个问题中，路径长度1+3+1+3+2=10作为下界，即最短路径长度>=10。更优的计算方式是将矩阵中每一行最小的2个元素相加除以2并向上取整。因为在一条路径上，每个城市有2条邻接边：进入该城市、离开该城市。对每一步经过的城市j，从最近的上一个城市i来，再到下一个最近城市k去，即i→j→k。在这个问题中，路径长度{(1+3)+(3+6)+(1+2)+(3+4)+(2+3)}/2向上取整等于14作为下界，即最短路径长度>=14。因此，以最短路径长度dist作为TSP问题目标函数，则dist的界为[14,16]。在问题求解过程中，如果1个部分解的目标函数dist下界超出此界限，则该部分解对应了死结点，可剪枝。对于1条正在生成的路径/部分解，设已经确定的顶点(已经经过/遍历的城市)集合为U=(r1, r2, …, rk)，则该部分解的目标函数的下界为(已经经过的路径的总长的2倍+从起点到最近未遍历城市的距离+从终点到最近未遍历城市的距离+进入/离开未遍历城市时各未遍历城市带来的最小路径成本)除以2并向上取整。假设正在生成的路径/部分解为1→4,U={1,4},未遍历城市={2,3,5},该部分解下界为{2*5+1+3+(3+6)+(1+2)+(2+3)}/2向上取整等于16：

九：随机算法

概述

随机算法是一种在接受输入的同时，为了随机选择的目的，还接受一串随机比特流并且在运行过程中使用该比特流的算法(允许算法在执行过程中随机地选择下一个计算步骤)。

随机算法通常有两个优点：

• 较之那些我们所知的解决同一问题最好的确定性算法，随机算法所需的运行时间或空间通常小一些。
• 随机算法比较易于理解和实现（呵，站着说话不腰疼）。

随机算法的基本特征：对所求解问题的同一实例用同一随机算法求解两次可能得到完全不同的效果。
这两次求解所需的时间、所得到的结果可能会有相当大的差别。

随机算法的类别

随机（概率）算法大致分四类：

• 数值概率算法

  常用于数值问题的求解。
  这类算法所得到的往往是近似解且近似解的精度随计算时间的增加而不断提高。
  在许多情况下,要计算出问题的精确解是不可能的,或者没有必要,此时,用数值概率算法可以得到相当满意的解。

• 蒙特卡洛(Monte Carlo)算法

  用于求问题的准确解。
  对于许多问题来说,近似解毫无意义。
  例如,一个判定问题其解为“是”或“否” ,二者必居其一,
  不存在任何近似解。
  又如,我们要求一个整数的因子,这样问题的解答必须是准
  确的,一个整数的近似因子没有任何意义。
  用蒙特卡洛算法能求得问题的一个解,但这个解未必是正确的。
  求得正确解的概率依赖于算法所用的时间,算法所用的时间越多,得到正确解的概率就越高。
  蒙特卡洛算法的主要缺点也在于此,即无法有效地判定所得到的解是否肯定正确。

• 拉斯维加斯(Las Vegas)算法

拉斯维加斯算法不会得到不正确的解。
一旦用拉斯维加斯算法找到一个解,这个解就一定是正确
解。
但有时用拉斯维加斯算法会找不到解。
与蒙特卡洛算法类似,拉斯维加斯算法找到正确解的**概率随着它所用的计算时间
的增加而提高**。
对于所求解问题的任一实例,用拉斯维加斯算法反复对该实例求解足够多次,可使求解失效的概率任意小。

• 舍伍德(Sherwood)算法

舍伍德算法总能求得问题的一个解,且所求得的解总是正确的。
当一个确定性算法在最坏情况下的计算复杂性与其在平均情况下的计算复杂性有较大差别时,可在这个确定性算法中引入随机性,将它改造成一个舍伍德算法,消除或减少问题的好坏实例间的这种差别。

例子

• Monte Carlo算法
  

总是给出解，但是偶尔可能会产生非正确的解。然而，可以通过多次运行原算法，并且满足每次运行时的随机选择都相互独立，使产生非正确解的概率可以减到任意小。

主元素问题（多数元素问题）

问题描述

设T[1…n]是一个长度为n的数组，当某个元素在该数组中存在的数量多于int(s/2)时称该元素为数组T的主元素（多数元素）。

求解思路

算法随机选择数组元素x,由于数组T的非主元素个数小于n/2，所以，x不为主元素的概率小于1/2。因此判定数组T的主元素存在性的算法是一个偏真1/2正确的算法。50%的错误概率是不可容忍的，利用重复调用技术将错误概率降低到任何可接受的范围内。对于任何给定的p> 0，算法majorityMC重复调用(向上取整)log(1/p)次算法majority。它是一个偏真蒙特卡罗算法，且其错误概率小于p。算法majorityMC所需的计算时间显然是O(nlog(1/p))。

代码实现

//重复k次调用算法Majority
template<class Type>
bool MajorityMC(Type *T,int n,double e)
{
    int k = ceil(log(1/e)/log((float)2));
    for(int i=1; i<=k; i++)
    {
        if(Majority(T,n))
        {
            return true;
        }
    }
    return false;
}


bool Majority(Type *T,int n)
{
    RandomNumber rnd;
    int i = rnd.Random(n);

    Type x = T[i];  //随机选择数组元素
    int k = 0;

    for(int j=0; j<n; j++)
    {
        if(T[j] == x)
        {
            k++;
        }
    }

    return (k>n/2); //k>n/2时，T含有主元素
}

随机化快速排序

（可能是最为流行的一种随机算法？）
首先要明确传统快速排序的流程：从待排序序列中拿出最后一个（或者第一个）作为主元，将小于它的放在它的前面，大于它的放在它的后面，这时对该主元的前一部分和后一部分再分别递归进行“划分”，最后达到有序。这种方法有一个很大的问题就是当待排序数组是一个几乎有序的序列时其复杂度会很容易达到senta(n^2)，因为如果每次都选择第一个元素或者最后一个元素作为主元进行划分，对一个几乎有序的序列，划分后的递归对象（子序列）将会一个很长一个很短，这样可能经过好多次划分后还是有一个待划分的子部分很长。解决方法是每次不选择第一个或者最后一个作为主元，而是随机产生一个从第一个到最后一个之间的随机数作为主元进行划分，这样即保留了快速排序的优越性又避免了排序几乎有序序列时的痛点。

核心代码

void RandomQuickSort(int low,int high){
    if(low<high){

        int v=random(low,high);
        int t=A[low];
        A[low]=A[v];
        A[v]=t;

        Split(A[low...high],low);
        RandomQuickSort(low,v-1);
        RandomQuickSort(v+1,high);
    }
}

该算法在最坏情况下仍然是senta(n^2)，但这与输入形式无关。如果最坏情况发生，那是因为用随机数选取的主元不凑巧，这个事件发生的概率是非常小的。事实上，没有一种输入的排列可以引起它的最坏情况，算法的期望运行时间是senta(nlogn).

随机化的选择算法（寻找第k小元素）

什么是选择算法：

SELECT 算法描述

1. 如果数组元素个数小于 44,则直接将数组排序并返回第 k小元素(采用直接的方法来解决问题,因为当总元素个数小于44*5=220的时候用直接的方法解决问题更快)。
2. 把 n 个元素以每组 5 个元素划分为 int( n/5) 组,如果 n 不是 5的倍数则抛弃剩余元素。
3. 对每组进行排序,之后取出每组的中间项(第 3 个元素)。
4. 递归调用 SELECT 算法,得到这些中间项序列中的中项元素 mm

5. 根据 mm,将原数组 A 划分为三个子数组:

   • A1={小于 mm 的元素};
   • A2={等于 mm 的元素};
   • A3={大于 mm 的元素};

6. 根据 k 的大小,判断第 k 小元素会出现在 A1,A2,A3 中的
   哪一个数组里,之后,或者返回第 k 小元素(mm,在 A2
   中),或者在 A1 或 A3 上递归。

   1：k <len(A 1) 第 k 小元素在 A1 中;
   2：len(A 1) =k <= A 1+ A 2 第 k 小元素在 A2 中;
   3： A 1 + A 2 < k <= A 1 + A 2+  A 3第 k 小元素在 A3 中;
   

   该算法的运行时间是senta(n)(T(n)<=20cn,c是排序43个元素所需的时间)，具有一个很大的常数系数，所以就有了随机版的选择算法：

   /*
    * 输入：n个元素的数组A[1...n]和整数k
    * 输出：A中的第k小元素
    * 
    */
   
   R_Select(A,1,n,k);
   
   void R_Select(int *A, int low, int high, int k) {
       int v = random(low, high);
       int x = A[v];
       A1 = {a | a < x};
       A2 = {a | a = x};
       A3 = {a | a > x};
   
       if (A1.len >= k)return R_Select(A, 1, A1.len, k);
       else if (A.len + A2.len >= k)return x;
       else if (A1.len + A2.len < k)return R_Select(A, 1, A3.len, k - A1.len - A2.len);
   }
   

该版本的随机算法与原版本的主要不用是原版本是将序列分为若干个5元素序列分别进行排序后找到那些5元素序列中值组成的新序列的中值作为主元对元素进行划分，而随机算法是产生一个序列中的随机数（就是在待找序列中随机找了一个数）作为主元，省去了那些排序5元素数组的步骤，对于大小为n的输入，算法RandomizedSekect执行的期望比较次数小于4n，他的期望运行时间是senta(n)。
可以发现该随机算法最坏情况下的运行时间也是senta(n)，但是其发生最坏情况不依赖于输入，仅当产生的随机数序列很不凑巧时才会发生，而这种概率是非常小的。