分治(divide and conquer),全称分而治之,是一种非常重要且常见的算法策略。分治通常基于递归实现,包括“分”和“治”两个步骤。
1,分(划分阶段):递归地将原问题分解为两个或多个子问题,直至到达最小子问题时终止
2,治(合并阶段):从已知解的最小子问题开始,从底至顶地将子问题的解进行合并,从而构建出原问题的解。
“归并排序”是分治策略的典型应用之一。
1,分:递归地将原数组(原问题)划分为两个子数组(子问题),直到子数组只剩一个元素(最小子问题)。
2,治:从底至顶地将有序的子数组(子问题的解)进行合并,从而得到有序的原数组(原问题的解)。
一个问题是否适合使用分治解决,通常可以参考以下几个判断依据。
1,问题可以分解:原问题可以分解成规模更小、类似的子问题,以及能够以相同方式递归地进行划分。
2,子问题是独立的:子问题之间没有重叠,互不依赖,可以独立解决。
3,子问题的解可以合并:原问题的解通过合并子问题的解得来。
显然,归并排序满足以上三个判断依据。
1,问题可以分解:递归地将数组(原问题)划分为两个子数组(子问题)。
2,子问题是独立的:每个子数组都可以独立地进行排序(子问题可以独立进行求解)。
3,子问题的解可以合并:两个有序子数组(子问题的解)可以合并为一个有序数组(原问题的解)。
分治在算法和数据结构的设计中应用得非常广泛。分治是一种“润物细无声”的算法思想,隐含在各种算法与数据结构之中。
1,二分查找:二分查找是将有序数组从中点索引处分为两部分,然后根据目标值与中间元素值比较结果,决定排除哪一半区间,并在剩余区间执行相同的二分操作。
2,归并排序:上面已介绍,不再赘述。
3,快速排序:快速排序是选取一个基准值,然后把数组分为两个子数组,一个子数组的元素比基准值小,另一子数组的元素比基准值大,再对这两部分进行相同的划分操作,直至子数组只剩下一个元素。
4,桶排序:桶排序的基本思想是将数据分散到多个桶,然后对每个桶内的元素进行排序,最后将各个桶的元素依次取出,从而得到一个有序数组。
5,树:例如二叉搜索树、AVL 树、红黑树、B 树、B+ 树等,它们的查找、插入和删除等操作都可以视为分治策略的应用。
6,堆:堆是一种特殊的完全二叉树,其各种操作,如插入、删除和堆化,实际上都隐含了分治的思想。
7,哈希表:虽然哈希表并不直接应用分治,但某些哈希冲突解决方案间接应用了分治策略,例如,链式地址中的长链表会被转化为红黑树,以提升查询效率。
时间复杂度为 Ologn的搜索算法通常是基于分治策略实现的,例如二分查找和树。
1,问题可以分解:二分查找递归地将原问题(在数组中进行查找)分解为子问题(在数组的一半中进行查找),这是通过比较中间元素和目标元素来实现的。
2,子问题是独立的:在二分查找中,每轮只处理一个子问题,它不受其他子问题的影响。
3,子问题的解无须合并:二分查找旨在查找一个特定元素,因此不需要将子问题的解进行合并。当子问题得到解决时,原问题也会同时得到解决。
/* 二分查找:问题 f(i, j) */intdfs(int[]nums,inttarget,inti,intj){// 若区间为空,代表无目标元素,则返回 -1if(i>j){return-1;}// 计算中点索引 mintm=(i+j)/2;if(nums[m]<target){// 递归子问题 f(m+1, j)returndfs(nums,target,m+1,j);}elseif(nums[m]>target){// 递归子问题 f(i, m-1)returndfs(nums,target,i,m-1);}else{// 找到目标元素,返回其索引returnm;}}/* 二分查找 */intbinarySearch(int[]nums,inttarget){intn=nums.length;// 求解问题 f(0, n-1)returndfs(nums,target,0,n-1);}