分治策略的定义

分治法解题的步骤

典型例题

分治策略的定义

分治策略是：对于一个规模为n的问题，若该问题可以容易地解决（比如说规模n较小）则直接解决，否则将其分解为k个规模较小的子问题，这些子问题互相独立且与原问题形式相同，递归地解这些子问题，然后将各子问题的解合并得到原问题的解。这种算法设计策略叫做分治法。 如果原问题可分割成k个子问题，1<k≤n ，且这些子问题都可解，并可利用这些子问题的解求出原问题的解，那么这种分治法就是可行的。由分治法产生的子问题往往是原问题的较小模式，这就为使用递归技术提供了方便。在这种情况下，反复应用分治手段，可以使子问题与原问题类型一致而其规模却不断缩小，最终使子问题缩小到很容易直接求出其解。这自然导致递归过程的产生。分治与递归像一对孪生兄弟，经常同时应用在算法设计之中，并由此产生许多高效算法。 分治法所能解决的问题一般具有以下几个特征：

该问题的规模缩小到一定的程度就可以容易地解决；

该问题可以分解为若干个规模较小的相同问题，即该问题具有最优子结构性质。

利用该问题分解出的子问题的解可以合并为该问题的解；

该问题所分解出的各个子问题是相互独立的，即子问题之间不包含公共的子子问题。

上述的第一条特征是绝大多数问题都可以满足的，因为问题的计算复杂性一般是随着问题规模的增加而增加；第二条特征是应用分治法的前提，它也是大多数问题可以满足的，此特征反映了递归思想的应用；第三条特征是关键，能否利用分治法完全取决于问题是否具有第三条特征，如果具备了第一条和第二条特征，而不具备第三条特征，则可以考虑用贪心法或动态规划法。第四条特征涉及到分治法的效率，如果各子问题是不独立的，则分治法要做许多不必要的工作，重复地解公共的子问题，此时虽然可用分治法，但一般用动态规划法较好。

分治法解题的步骤

分治法的基本步骤 分治法在每一层递归上都有三个步骤：

分解：将原问题分解为若干个规模较小，相互独立，与原问题形式相同的子问题；

解决：若子问题规模较小而容易被解决则直接解，否则递归地解各个子问题；

合并：将各个子问题的解合并为原问题的解。

它的一般的算法设计模式如下：

Divide-and-Conquer(P)

1. if |P|≤n0

2. then return(ADHOC(P))

3. 将P分解为较小的子问题 P1 ,P2 ,...,Pk

4. for i←1 to k

5. do yi ← Divide-and-Conquer(Pi) △ 递归解决Pi

6. T ← MERGE(y1,y2,...,yk) △ 合并子问题

7. return(T)

其中|P|表示问题P的规模；n0为一阈值，表示当问题P的规模不超过n0时，问题已容易直接解出，不必再继续分解。ADH

OC(P)是该分治法中的基本子算法，用于直接解小规模的问题P。因此，当P的规模不超过n0时，直接用算法ADHOC(P)求解。

算法MERGE(y1,y2,...,yk)是该分治法中的合并子算法，用于将P的子问题P1 ,P2 ,...,Pk的相应的解y1,y2,...,yk合并为P

的解。

根据分治法的分割原则，原问题应该分为多少个子问题才较适宜？各个子问题的规模应该怎样才为适当？这些问题很难予以肯定的回

答。但人们从大量实践中发现，在用分治法设计算法时，最好使子问题的规模大致相同。换句话说，将一个问题分成大小相等的k个子问题的处理方法是行之有效的。许多问题可以取k=2。这种使子问题规模大致相等的做法是出自一种平衡(balancing)子问题的思想，它几乎总是比子问题规模不等的做法要好。

典型例题

例1：二分查找

在对线性表的操作中，经常需要查找某一个元素在线性表中的位置。此问题的输入是待查元素x和线性表L，输出为x在L中的位置或者x不在L中的信息。比较自然的想法是一个一个地扫描L的所有元素，直到找到x为止。这种方法对于有n个元素的线性表在最坏情况下需要n次比较。一般来说，如果没有其他的附加信息，在有n个元素的线性表中查找一个元素在最坏情况下都需要n次比较。下面我们考虑一种简单的情况。假设该线性表已经排好序了，不妨设它按照主键的递增顺序排列（即由小到大排列）。在这种情况下，我们是否有改进查找效率的可能呢？

如果线性表里只有一个元素，则只要比较这个元素和x就可以确定x是否在线性表中。因此这个问题满足分治法的第一个适用条件；同时我们注意到对于排好序的线性表L有以下性质：比较x和L中任意一个元素L[i]，若x=L[i]，则x在L中的位置就是i；如果x<L[i]，由于L是递增排序的，因此假如x在L中的话，x必然排在L[i]的前面，所以我们只要在L[i]的前面查找x即可；如果x>L[i]，同理我们只要在L[i]的后面查找x即可。无论是在L[i]的前面还是后面查找x，其方法都和在L中查找x一样，只不过是线性表的规模缩小了。这就说明了此问题满足分治法的第二个和第三个适用条件。很显然此问题分解出的子问题相互独立，即在L[i]的前面或后面查找x是独立的子问题，因此满足分治法的第四个适用条件。

于是我们得到利用分治法在有序表中查找元素的算法。

function Binary_Search(L,a,b,x);

begin

if a>b then return(-1)

else begin

m:=(a+b) div 2;

if x=L[m] then return(m)

else if x>L[m]

then return(Binary_Search(L,m+1,b,x));

else return(Binary_Search(L,a,m-1,x));

end;

end;

在以上算法中，L为排好序的线性表，x为需要查找的元素，b,a分别为x的位置的上下界，即如果x在L中，则x在L[a..b]中。每次我们用L中间的元素L[m]与x比较，从而确定x的位置范围。然后递归地缩小x的范围，直到找到x。

例2：快速排序

快速排序的基本思想是基于分治法的。对于输入的子序列L[p..r]，如果规模足够小则直接进行排序，否则分三步处理：

分解(Divide)：将输入的序列L[p..r]划分成两个非空子序列L[p..q]和L[q+1..r]，使L[p..q]中任一元素的值不大于L[q+1..r]中任一元素的值。

递归求解(Conquer)：通过递归调用快速排序算法分别对L[p..q]和L[q+1..r]进行排序。

合并(Merge)：由于对分解出的两个子序列的排序是就地进行的，所以在L[p..q]和L[q+1..r]都排好序后不需要执行任何计算L[p..r]就已排好序。

这个解决流程是符合分治法的基本步骤的。因此，快速排序法是分治法的经典应用实例之一。

程序代码如下：

program kspv;

const n=7;

type

arr=array[1..n] of integer;

var

a:arr;

i:integer;

procedure quicksort(var b:arr; s,t:integer);

var i,j,x:integer;

begin

i:=s;j:=t;x:=b[i];

repeat

while (b[j]>=x) and (j>i) do j:=j-1;

if j>i then begin b[i]:=b[j];i:=i+1;end;

while (b[i]<=x) and (i<j) do i:=i+1;

if i<j then begin b[j]:=b[i];j:=j-1; end

until i=j;

b[i]:=x;

i:=i+1;j:=j-1;

if s<j then quicksort(b,s,j);

if i<t then quicksort(b,i,t);

end;

begin

write('input data:');

for i:=1 to n do read(a[i]);

writeln;

quicksort(a,1,n);

write('output data:');

for i:=1 to n do write(a[i]:6);

writeln;

end.

例3：归并排序

归并就是将多个有序的数列合成一个有序的数列。将两个有序序列合并为一个有序序列叫二路归并(merge).归并排序就是n长度为1的子序列,两两归并最后变为有序的序列。

程序代码如下：

program gbpx;

const maxn=7;

type arr=array[1..maxn] of integer;

var a,b,c:arr;

i:integer;

procedure merge(r:arr;l,m,n:integer;var r2:arr);

var i,j,k,p:integer;

begin

i:=l;j:=m+1;k:=l-1;

while (i<=m)and (j<=n) do

begin

k:=k+1;

if r[i]<=r[j] then begin r2[k]:=r[i];i:=i+1 end

else begin r2[k]:=r[j];j:=j+1 end

end;

if i<=m then

for p:=i to m do begin k:=k+1;r2[k]:=r[p] end;

if j<=n then

for p:=j to n do begin k:=k+1;r2[k]:=r[p] end;

end;

procedure mergesort( var r,r1:arr;s,t:integer);

var k:integer; c:arr;

begin

if s=t then r1[s]:=r[s] else

begin

k:=(s+t) div 2;

mergesort(r,c,s,k);

mergesort(r,c,k+1,t);

merge(c,s,k,t,r1)

end;

end;

begin

write('Enter data:');

for i:= 1 to maxn do

read(a[i]);

mergesort(a,b,1,maxn);

for i:=1 to maxn do

write(b[i]:9);

writeln;

end.