算法总结
贪心
贪心算法(英语:greedy algorithm),是用计算机来模拟一个「贪心」的人做出决策的过程。这个人十分贪婪,每一步行动总是按某种指标选取最优的操作。而且他目光短浅,总是只看眼前,并不考虑以后可能造成的影响。
可想而知,并不是所有的时候贪心法都能获得最优解,所以一般使用贪心法的时候,都要确保自己能证明其正确性。
适用范围
贪心算法在有最优子结构的问题中尤为有效。最优子结构的意思是问题能够分解成子问题来解决,子问题的最优解能递推到最终问题的最优解。
贪心算法有两种证明方法:反证法和归纳法。一般情况下,一道题只会用到其中的一种方法来证明。
要点
在提高组难度以下的题目中,最常见的贪心有两种。
「我们将 XXX 按照某某顺序排序,然后按某种顺序(例如从小到大)选择。」。
「我们每次都取 XXX 中最大/小的东西,并更新 XXX。」(有时「XXX 中最大/小的东西」可以优化,比如用优先队列维护)
二者的区别在于一种是离线的,先处理后选择;一种是在线的,边处理边选择。
##排序解法
用排序法常见的情况是输入一个包含几个(一般一到两个)权值的数组,通过排序然后遍历模拟计算的方法求出最优值。
##后悔解法
思路是无论当前的选项是否最优都接受,然后进行比较,如果选择之后不是最优了,则反悔,舍弃掉这个选项;否则,正式接受。如此往复。
与动态规划的区别
贪心算法与动态规划的不同在于它对每个子问题的解决方案都做出选择,不能回退。动态规划则会保存以前的运算结果,并根据以前的结果对当前进行选择,有回退功能。
二分
二分法定义
二分查找(英语:binary search),也称折半搜索(英语:half-interval search)、对数搜索(英语:logarithmic search),是用来在一个有序数组中查找某一元素的算法。
过程
以在一个升序数组中查找一个数为例。
它每次考察数组当前部分的中间元素,如果中间元素刚好是要找的,就结束搜索过程;如果中间元素小于所查找的值,那么左侧的只会更小,不会有所查找的元素,只需到右侧查找;如果中间元素大于所查找的值同理,只需到左侧查找。
性质
时间复杂度
二分查找的最优时间复杂度为 O(1)。
二分查找的平均时间复杂度和最坏时间复杂度均为 O(log n)。因为在二分搜索过程中,算法每次都把查询的区间减半,所以对于一个长度为 n 的数组,至多会进行 O(log n) 次查找。
###空间复杂度
迭代版本的二分查找的空间复杂度为 O(1)。
递归(无尾调用消除)版本的二分查找的空间复杂度为 O(log n)。
注:当n>=0时, n>>1 比 n/2 质量数更少, 即前者更快
最大值最小化
注意,这里的有序是广义的有序,如果一个数组中的左侧或者右侧都满足某一种条件,而另一侧都不满足这种条件,也可以看作是一种有序(如果把满足条件看做 1,不满足看做 0,至少对于这个条件的这一维度是有序的)。换言之,二分搜索法可以用来查找满足某种条件的最大(最小)的值。
要求满足某种条件的最大值的最小可能情况(最大值最小化),首先的想法是从小到大枚举这个作为答案的「最大值」,然后去判断是否合法。若答案单调,就可以使用二分搜索法来更快地找到答案。因此,要想使用二分搜索法来解这种「最大值最小化」的题目,需要满足以下三个条件:
答案在一个固定区间内;
可能查找一个符合条件的值不是很容易,但是要求能比较容易地判断某个值是否是符合条件的;
可行解对于区间满足一定的单调性。换言之,如果 x 是符合条件的,那么有 x + 1 或者 x - 1 也符合条件。(这样下来就满足了上面提到的单调性)
当然,最小值最大化是同理的。
##STL 的二分查找
C++ 标准库中实现了查找首个不小于给定值的元素的函数 lower_bound 和查找首个大于给定值的元素的函数 upper_bound,二者均定义于头文件 中。
二者均采用二分实现,所以调用前必须保证元素有序。
bsearch
bsearch 函数为 C 标准库实现的二分查找,定义在 <stdlib.h> 中。在 C++ 标准库里,该函数定义在 中。qsort 和 bsearch 是 C 语言中唯二的两个算法类函数。
bsearch 函数相比 qsort(排序相关 STL)的四个参数,在最左边增加了参数「待查元素的地址」。之所以按照地址的形式传入,是为了方便直接套用与 qsort 相同的比较函数,从而实现排序后的立即查找。因此这个参数不能直接传入具体值,而是要先将待查值用一个变量存储,再传入该变量地址。
于是 bsearch 函数总共有五个参数:待查元素的地址、数组名、元素个数、元素大小、比较规则。比较规则仍然通过指定比较函数实现,详见 排序相关 STL。
bsearch 函数的返回值是查找到的元素的地址,该地址为 void 类型。
注意:bsearch 与上文的 lower_bound 和 upper_bound 有两点不同:
当符合条件的元素有重复多个的时候,会返回执行二分查找时第一个符合条件的元素,从而这个元素可能位于重复多个元素的中间部分。
当查找不到相应的元素时,会返回 NULL。
用 lower_bound 可以实现与 bsearch 完全相同的功能,所以可以使用 bsearch 通过的题目,直接改写成 lower_bound 同样可以实现。但是鉴于上述不同之处的第二点,例如,在序列 1、2、4、5、6 中查找 3,bsearch 实现 lower_bound 的功能会变得困难。
利用 bsearch 实现 lower_bound 的功能比较困难,是否一定就不能实现?答案是否定的,存在比较 tricky 的技巧。借助编译器处理比较函数的特性:总是将第一个参数指向待查元素,将第二个参数指向待查数组中的元素,也可以用 bsearch 实现 lower_bound 和 upper_bound,如下文示例。只是,这要求待查数组必须是全局数组,从而可以直接传入首地址。
二分答案
解题的时候往往会考虑枚举答案然后检验枚举的值是否正确。若满足单调性,则满足使用二分法的条件。把这里的枚举换成二分,就变成了「二分答案」。