【算法】分治法(快速排序,归并排序)

分治法,是算法思想里最基础的思想。这也和人的基本思维有关,当我们需要解决一个大的问题时,直觉的就会将这个大问题分成多个小问题来解决。

大量的经典算法,都是基于分治法。比如,快速排序,归并排序。当然,最让人想起来的,就是二分查找了。

分治法的步骤

分治,分而治之。分的原因是因为问题的规模太大,需要拆开了解决,目的是为了解决问题,分解只是手段。所以分治的步骤其实很明确:

  1. 分解:将大问题的分解成小问题,是这个算法的核心。也是使用分治法的效率保证,如果分解不合理。那么反而会弄巧成拙。
  2. 解决:解决问题,便是分解之后的小问题。他们的解决步骤是相同,至少是相似的。所以,分治法中经常用到递归,就是基于这样的目的。
  3. 合并:前面那么麻烦的两步,最终的目的仍然是为了解决这个问题。所以需要将分解问题得到的解,合并成最终需要的终极答案,便是这个算法的结束过程。譬如,你使用递归的时候,也需要最后退出的条件。分治法结束条件,就是合并步骤的结束。

递归与分治法的关系

虽然很多的运用分治法的算法,都使用到了递归。但是并不是意味着使用了递归的算法,就是使用了分治法。分治法也可使用迭代来实现呀。可以这么说,一切用尾递归方式的算法,都可以通过一个栈来迭代实现。递归只是算法的实现手段,基于各语言(大部分)都支持在函数内部调用本身特性,可以减少代码的重复。

我之所以特此说明,就是我曾经就有这种错误的认识。

运用实例

我前面已经提到的快速排序归并排序二分查找。这三种算法都是经典的算法,实现方法已有很多人写了。我就不献丑了,特别引用了维基百科的快排和归并的例子,当然依旧是python的实现。

维基百科的快速排序:

def qsort(arr):
   if len(arr) <= 1:
       return arr
   else:
       pivot = arr[0]
       return qsort([x for x in arr[1:] if x < pivot]) + \
              [pivot] + \
              qsort([x for x in arr[1:] if x >= pivot])

维基百科的归并排序

from collections import deque

def merge_sort(lst):
    if len(lst) <= 1:
        return lst

    def merge(left, right):
        merged,left,right = deque(),deque(left),deque(right)
        while left and right:
            merged.append(left.popleft() if left[0] <= right[0] else right.popleft())  # deque popleft is also O(1)
        merged.extend(right if right else left)
        return list(merged)

    middle = int(len(lst) // 2)
    left = merge_sort(lst[:middle])
    right = merge_sort(lst[middle:])
    return merge(left, right)
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