创造算法的算法:分治法

有多少人学习算法时,都是从排序入手,然后就没有然后了,不是算法有多难,而是算法对程序员来说,有点类似武侠世界里的内功心法,练了半天,总觉得与功夫招式没什么大关系,和工作遇到的问题关系也不是那么直接,实际上,基本上所有语言都内置了排序的方法,有多少人会自己写个快排去排序的?!
那么学习算法到底有什么用呢?这里我提供一个角度:

学习算法是为了用程序的思想,抽象实际问题,提供方便的解决方案。

分治法是编程界排名前5的重要算法之一,但是它本身并不是一种具体的算法,也没有典型的数据结构,我们先从一个例子来看下它能解决什么样的问题:
《最大子序和》:
给定一个整数数组 nums ,找到一个具有最大和的连续子数组(子数组最少包含一个元素),返回其最大和。
输入: [-2,1,-3,4,-1,2,1,-5,4],
输出: 6
解释: 连续子数组 [4,-1,2,1] 的和最大,为 6。


分治法.001

问题中,最终的结果当然是9个数字中的最大值,问题是,9个数字的子数组有多少呢?可以2两个一组、3个一组,4个一组,这样写算法必然繁琐复杂,要想办法简化一下问题,先把9个数字分成两部分:


分治法.002

假设我们已经求出了[-2...-5]部分的最大值,记为sumMax(0...7),问题就简单了,只需在sumMax(0...7)、4、sumMax(0...7)+4 三者之间取最大值即可。

剩下的你可能已经知道了,[-2...-5]部分也需要求最大和,一样分为两部分,这样一直分下去:


分治法.003

最后会发现,只剩下 -2 和 1,这时,只需要比较 (-2 + 1)和 1 的大小,显然取1,这是为了满足题目中“连续子数组”的要求,靠右边的数代表所在组,才能参与更大分组的计算。

由分析可见,用递归可以很方便的实现,只需要将去掉末尾的数组再次调用相同方法即可,由于取子数组很耗费计算时,这里展开为循环,下面完整算法(Swift描述):

func maxSubArray(_ nums: [Int]) -> Int {
        var maxAll:Int = 0
        if (nums.count == 0) {
            maxAll = 0
            return 0
        }
        if (nums.count == 1) {
            maxAll = nums[0]
            return nums[0]
        }
        maxAll = nums[0]
        var subSumMax = 0
        if (nums.count >= 2) {
            for v in nums {
                subSumMax += v
                subSumMax = max(subSumMax, v)
                maxAll = max(subSumMax, maxAll)
            }
        }
        return maxAll
    }

maxAll 用来记录曾经达到过的最大和。
通过以上的详细分析,可以总结出,分治法包括两个步骤:

  1. 将大问题分拆成小问题。
  2. 找到小问题的解决方案。

以上过程是个互动过程,有时需要尝试不同的分拆方法,关键看分拆的小问题是否有一致的解决方案

在众多算法中,很多都是分治法的具体实践:

  • 二分查找
  • 归并排序
  • 快速排序

当你领悟了分治法的思想后,很多算法都可以自行推导得出,现在是不是对学好算法更有信心了呢?欢迎你的留言,我们一同修炼心法。

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