几种常用的算法简介

系统管理员 2022-10-02 04:48 176阅读 0赞

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## 1、穷举法 ##

穷举法是最基本的算法设计策略，其思想是列举出问题所有的可能解，逐一进行判别，找出满足条件的解。

穷举法的运用关键在于解决两个问题：

如何列举所有的可能解；

如何判别可能解是否满足条件；

在运用穷举法时，容易出现的问题是可能解过多，导致算法效率很低，这就需要对列举可能解的方法进行优化。

以题1041--纯素数问题为例，从1000到9999都可以看作是可能解，可以通过对所有这些可能解逐一进行判别，找出其中的纯素数，但只要稍作分析，就会发现其实可以大幅度地降低可能解的范围。根据题意易知，个位只可能是3、5、7，再根据题意可知，可以在3、5、7的基础上，先找出所有的二位纯素数，再在二位纯素数基础上找出三位纯素数，最后在三位纯素数的基础上找出所有的四位纯素数。

## 2、分治法 ##

分治法也是应用非常广泛的一种算法设计策略，其思想是将问题分解为若干子问题，从而可以递归地求解各子问题，再综合出问题的解。

分治法的运用关键在于解决三个问题：

确定分治规则，即如何分解问题。

确定终结条件，即问题分解到什么状态时可以直接求解。

确定归纳方法，即如何由子问题的解得到原问题的解。这一步并不总是需要的，因为对某些问题来说，并不需要对子问题的解进行复杂的归纳。

我们熟知的如汉诺塔问题、折半查找算法、快速排序算法等都是分治法运用的典型案例。

以题1045--Square Coins为例，先对题意进行分析，可设一个函数f(m, n)等于用面值不超过n2 的货币构成总值为m的方案数，则容易推导出：

f(m, n) = f(m-0\*n\*n, n-1)+f(m-1\*n\*n, n-1)+f(m-2\*n\*n, n-1)+...+f(m-k\*n\*n, n-1)  
这里的k是币值为n2 的货币最多可以用多少枚，即k=m/(n\*n)。

也很容易分析出，f(m, 1) = f(1, n) = 1

对于这样的题目，一旦分析出了递推公式，程序就非常好写了。所以在动手开始写程序之前，分析工作做得越彻底，逻辑描述越准确、简洁，写起程序来就会越容易。

## 3、动态规划法 ##

动态规划法多用来计算最优问题，动态规划法与分治法的基本思想是一致的，但处理的手法不同。动态规划法在运用时，要先对问题的分治规律进行分析，找出终结子问题，以及子问题向父问题归纳的规则，而算法则直接从终结子问题开始求解，逐层向上归纳，直到归纳出原问题的解。

动态规划法多用于在分治过程中，子问题可能重复出现的情况，在这种情况下，如果按照常规的分治法，自上向下分治求解，则重复出现的子问题就会被重复地求解，从而增大了冗余计算量，降低了求解效率。而采用动态规划法，自底向上求解，每个子问题只计算一次，就可以避免这种重复的求解了。

动态规划法还有另外一种实现形式，即备忘录法。备忘录的基本思想是设立一个称为备忘录的容器，记录已经求得解的子问题及其解。仍然采用与分治法相同的自上向下分治求解的策略，只是对每一个分解出的子问题，先在备忘录中查找该子问题，如果备忘录中已经存在该子问题，则不须再求解，可以从备忘录中直接得到解，否则，对子问题递归求解，且每求得一个子问题的解，都将子问题及解存入备忘录中。

例如，在题1045--Square Coins中，可以采用分治法求解，也可以采用动态规划法求解，即从f(m, 1)和f(1, n)出发，逐层向上计算，直到求得f(m, n)。

在竞赛中，动态规划和备忘录的思想还可以有另一种用法。有些题目中的可能问题数是有限的，而在一次运行中可能需要计算多个测试用例，可以采用备忘录的方法，预先将所有的问题的解记录下来，然后输入一个测试用例，就查备忘录，直接找到答案输出。这在各问题之间存在父子关系的情况下，会更有效。例如，在题1045--Square Coins中，题目中已经指出了最大的目标币值不超过300，也就是说问题数只有300个，而且各问题的计算中存在重叠的子问题，可以采用动态规划法，将所有问题的解先全部计算出来，再依次输入测试用例数据，并直接输出答案。

## 4、回溯法 ##

回溯法是基于问题状态树搜索的求解法，其可适用范围很广。从某种角度上说，可以把回溯法看作是优化了的穷举法。回溯法的基本思想是逐步构造问题的可能解，一边构造，一边用约束条件进行判别，一旦发现已经不可能构造出满足条件的解了，则退回上一步构造过程，重新进行构造。这个退回的过程，就称之为“回溯”。

回溯法在运用时，要解决的关键问题在于：

如何描述局部解。

如何扩展局部解和回溯局部解。

如何判别局部解。

回溯法的经典案例也很多，例如全排列问题、N后问题等。

## 5、贪心法 ##

贪心法也是求解最优问题的常用算法策略，利用贪心法策略所设计的算法，通常效率较高，算法简单。贪心法的基本思想是对问题做出目前看来最好的选择，即贪心选择，并使问题转化为规模更小的子问题。如此迭代，直到子问题可以直接求解。

基于贪心法的经典算法例如：哈夫曼算法、最小生成树算法、最短路径算法等。

但是，贪心法的运用是有条件的，必须能够证明贪心选择能够导出最优解，且转化出的子问题与原问题是同性质的问题，才能使用贪心法求解。

一个比较经典的贪心法求解的问题就是找硬币问题：有1、2、5、10、20、50、100七种面值的硬币，要支付指定的金额，问怎么支付所用的硬币个数最少。这是一个非常日常化的问题，凭直觉我们会想到，尽可能先用大面值的硬币，这就是“贪心选择”，而在这个问题上，这个贪心选择也是正确的。