数据结构作业1 讲解和拓展

原题来自雪梨教育

http://www.edu2act.net/task/list/checked/

题后给出讲解和扩展

任务1_1 比较下列算法的时间复杂度

任务描述:

    下面给出4个算法,请分析下列各算法的时间复杂度,请写清楚题号,并将每个小题的分析过程写出来,并给出分析结果。

(1)

for(i = 1; i <= n; i++)
	scanf("%d", &num[i]);
ans = num[1]; 
for(i = 1; i <= n; i++)
{
	for(j = i; j <= n; j++) 
	{
		s = 0;
		for(k = i; k <= j; k++)
			s += num[k];

		if(s > ans)
			ans = s;
	}
}

(2)

for(i = 1; i <= n; i++)
	scanf("%d", &num[i]);
sum[0] = 0;
for(i = 1; i <= n; i++) {
	sum[i] = num[i] + sum[i - 1];
}

ans = num[1]; 
for(i = 1; i <= n; i++) {
	for(j = i; j <= n; j++) {
		s = sum[j] - sum[i - 1];
		if(s > ans) ans = s;
	}
}

(3)

int solve(int left, int right)
{
	if(left == right)
		return num[left];

	mid = (left + right) / 2;
	lans = solve(left, mid);
	rans = solve(mid + 1, right);

	sum = 0, lmax = num[mid], rmax = num[mid + 1];
	for(i = mid; i >= left; i--) {
		sum += num[i];
		if(sum > lmax) lmax = sum;
	}
	sum = 0;
	for(i = mid + 1; i <= right; i++) {
		sum += num[i];
		if(sum > rmax) rmax = sum;
	}

	ans = lmax + rmax;
	if(lans > ans) ans = lans;
	if(rans > ans) ans = rans;
	return ans;
}

int main(void)
{
	scanf("%d", &n);
	for(i = 1; i <= n; i++)
		scanf("%d", &num[i]);

	printf("%d\n", solve(1, n));
	return 0;
}

(4)

for(i = 1; i <= n; i++)
	scanf("%d", &num[i]);

num[0] = 0;
ans = num[1];
for(i = 1; i <= n; i++) 
{
	if(num[i - 1] > 0) 
		num[i] += num[i - 1];
	else
		num[i] += 0;
	if(num[i] > ans) 
		ans = num[i];
}

任务1_2 数字反转的时空复杂度

任务描述:

下面两个函数fun1和fun2都是实现对整数的逆序输出功能,请根据下面题目要求,给出答案。

(1) 请分析函数fun1的时间复杂度和空间复杂度;

(2) 请分析函数fun2的时间复杂度和空间复杂度。

代码如下:

int fun1(int n) 
{
    int rev = 0;
    while (n != 0) {
        int pop = n % 10;
        n /= 10;
        rev = rev * 10 + pop;
    }
    return rev;
}

void fun2(int n)
{
	printf("%d", n % 10);
    if(n / 10 != 0)
		fun2(n / 10); 
}

int main(void)
{
	printf("%d\n", fun1(10203)); 
	fun2(10203);

	return 0;
}

讲解:

说频度,或者求和公式往上堆出来的解释, 都是耍流氓

没有专业名词的讲解才是讲解

直接粘贴我交的作业

先用数学说明,后解释题意并分析。

分别为O(N^3),O(N^2),O(N*logN),O(N).

数学:

1)第一个循环O(N)

对于每一个i来说,j执行n-i+1次,对于每个j来说,k执行j-i+1次,我们把常数去掉,

对于每一个i,执行的常数操作为1+2+3+...+(n-i+1),等差数列[1+(n-i+1)](n-i+1)/2约等于(n-i)^2而i=1,2,....n,分别执行常熟操作次数为(n-1)^2,(n-2)^2......1^2,0^2.,可以看出是平方函数求和,而对x^2求和n项的公式为(n^3)/3+(n^2)/2+n/6,我们只看最大,去掉常数,也就是O(N^3).

O(N^3)+O(N)当然还是O(N^3)

2)前两个循环都是O(N),下面两重循环,对于每个i,j执行n-i次,当i=1,2....n,j执行次数为n-1,n-2....1,0,可以看出是等差数列求和,最高项是(n^2)/2,去掉系数,时间复杂度为O(N^2).

加起来:O(N^2)+O(N)+O(N)=O(N^2)

3)分析solve函数:采用二分,将序列分成两份,直到不可再分,执行的两个循环加起来就是遍历一遍左右端点之间数的复杂度。我们看所有从长度为1的子数组,数量为n,合并后,所有长度为2的子数组,数量为n/2,再合并,长度为4的子数组,数量为n/4,我们会发现对于每个长度1,2^2,2^4,2^3,的子数组,遍历一遍所有长度一样的子数组的复杂度都是O(N),设一共有x种长度,2^x=n,很明显x=log(2,n)。

每次O(N),次数o(log(2,n)),乘起来O(n*logn)

看main函数,接收数据是O(N),加solve,等于O(n*logn)

4)接收数据O(N),一个循环O(N),加起来O(N)。

下面我根据完成的功能和思路分析一下:(思路简单,文字略长,不太会叙述)

这四个代码完成的功能都是求最大子数组(注意用词准确,子数组连续,子序列可以不连续)。

1)分别枚举每一个子数组的起点和终点,也就是i和j,对于每一个起点和终点,对中间部分求和,也就是k循环。显然有n个起点n个终点(去重减半,不影响复杂度),所以子数组数量为O(N^2),对于每个子数组,我们要遍历一下求和,子数组长度1-n不等,遍历一遍平均O(N),乘起来O(N^3).(注意可能产生时间更大的错觉)。找出所有子数组中最大的即可。

2)预处理出每一个以第一个元素开始,第i个元素结尾的子数组和,还是枚举每个起点终点,但是我们求和时直接减就可以了,不用遍历。对于每个子数组,操作为O(1),子数组数量O(N^2),所以总时间O(N^2).

3)二分,求左右两边最大子数组,取最大。但是还有一种情况:包含断点的那些子数组也要考虑,请思考那两个那两个循环为什么那么写?最后逻辑为何正确?

4)动态规划入门思想

没有枚举,num[i]的含义是以下标i结尾的所有子数组中最大的。

遍历数组,对于第i个元素,它的所有子数组下标范围有[1,i],[2,i].....[i-1,i],还有它自己,我们看i-1个元素,他的子数组为[1,i-1],[2,i-1].....[i-1]。请想num[i]的含义,我们求i结尾的,只要把i-1结尾的最大加上i就好了,当然如果i-1结尾最大子数组是负的,i结尾最大子数组就是它本身。

为什么O(N)?时间省在哪里了?我们省掉了许多没必要的计算,计算i时,之前的数组和已经都计算过,朴素算法并没有记录下来,而是重复计算,造成时间浪费。算法优化的过程就是去掉重复计算的过程。

1-2

fun1:时间O(log10,N),空间O(1)

FUN2:时间O(log10,N),空间O(log10,N)

第一个函数只是有限几个变量,所以空间O(1),一个循环n每次缩小十倍,时间O(log10,N).

第二个函数递归调用,这个函数没执行完就跳到另外的函数,会压函数栈,空间O(log(10,n)),

而时间还是O(log10,N),复杂度没变但是时间稍长。

作业完了

我们说拓展:如何求二维数组的最大和子数组?

如果大家看懂了之前的讲解,我给个提示:利用第二个代码和第四个代码思想的结合

解释:

1   2  3   4

-1 -2  1   2

1   3   -2  1

-1  -2  -1  -3

如图是前三行整体最大

怎么做呢?

先用第二个代码的思想,我们进行预处理

每个数代表这一列到这个数位置截止,累加和。

1  2  3  4

0  0  4  6

1  3  2  7

0  1  1  4

然后,我们枚举每一列的起点和终点分别为第0,1,2,3行

然后压缩成一维来做

比如求1-3行的这个矩形,我们拿0和3行减一下就行了

0-1,1-2,1-3,4-4=-1,-1,-2,0就是1-3行压缩后的结果

然后按一维do来做就好

时间复杂度:n行m列:

预处理:每个元素弄一遍,O(N*M)

枚举压缩:起点n个终点n个,数量:O(N^2),对于每个矩阵,我们压缩为一维,只要减一下就好,O(M)

dp:每个一维O(M)

求最大子长方体或者多维也一样,预处理,三维压二维,二维压一维,按一维dp来做。

算法优化的过程就是去除重复计算过程的过程

想象一下没有预处理没有dp的朴素做法时间是多少?

算法的魅力

以前写过这个问题的总结了,所以这次可能写的有点简单。看不懂再去之前博客找找

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