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从最大连续和问题看算法的时间复杂度

从最大连续和问题看算法的时间复杂度

作者: Ell1ot | 来源:发表于2019-08-12 13:52 被阅读0次

参考紫书8.1章节。
最大连续和问题

在给定序列中找到最大连续和,该问题最简单的解答思路是将所有子序列的和求出,并找到最大值,但如果序列长度较大或序列中元素的值较大,计算需要的时间都将大幅增加。因此需要使用更优化的算法。以下列举四种算法,使用函数maxsum求出最大连续和,数组A存放给定序列,n表示序列长度。

暴力求解
int maxsum(int *A,int n){
    int maxs=A[1];                  //初始最大值 
    for(int i=1;i<=n;i++)           //找到所有子序列 
        for(int j=i;j<=n;j++){
            int sum=0;
            for(int k=i;k<=j;k++)
                sum+=A[k];
            maxs=max(maxs,sum);
        }
    return maxs;
}

求出所有子序列的和,逐个比较找出最大值,时间复杂度为n^3,当序列长度较长时,运算时间很可能超出要求。

通过前缀和求出子序列的和
int maxsum(int *A,int n){
    //求出前缀和 
    int S[n+1];
    S[0]=0;
    for(int i=1;i<=n;i++)
        S[i]=S[i-1]+A[i];
    //根据前缀和求出子序列的和 
    int maxs=A[1];
    for(int i=1;i<=n;i++)
        for(int j=i;j<=n;j++)
            maxs=max(maxs,S[j]-S[i-1]);  //注意i-1 
    return maxs;
}

使用前缀和将免去使用循环计算子序列和的部分,因此时间复杂度减少到n^2,但在n过大时仍然需要较多时间。

分治法
int maxsum(int *A,int n,int l,int r){   //返回数组在区间[l,r)中的最大连续和 
    if(l==r-1) return A[l];             //若只有一个元素,返回该元素
    int m=l+(r-l)/2;                    //将区间[l,r)分为区间[l,m)和[m,r)
    int maxs=max(maxsum(A,n,l,m),maxsum(A,n,m,r))   //递归求解
    
    int L,R,all;                        
    all=0;L=A[m-1];                     
    for(int i=m-1;i>=l;i++)             //从分界点开始往左的最大连续和 
        L=max(L,all+=A[i]);
    all=0;R=A[m];
    for(int i=m;i<y;i++)                //从分界点开始往右的最大连续和 
        R=max(R,all+=A[i]);
        
    return max(L+R,maxs);               //比较最大值 
}

将序列划分为左右两个区间,并利用递归求出左区间,右区间的最大值,利用循环求出合并区间的最大值,最终比较得出结果。对这一题目使用分治法时maxsum函数使用了递归和一重循环,最终时间复杂度为nlogn,时间复杂度随n的增加而增加的幅度更小了。

最优解
int maxsum(int *A,int n){
    int S[n+1];
    S[0]=0;
    for(int i=1;i<=n;i++)       //计算前缀和 
        S[i]=S[i-1]+A[i];
    
    int maxs=A[1],mixS=S[1];    //mixS为目前出现的最小前缀和 
    for(int i=1;i<=n;i++){
        maxs=max(maxs,S[i]-mixS);
        mixS=mix(mixa,S[i]);
    }
    return maxs; 
}

同样使用前缀和计算子序列的和,在前面的解法中,子序列的和=S[j]-S[i-1],只要将最小的S[i-1]记录下来,就可以直接用S[j]减去最小的S[i-1],得到子序列的最大和,于是又省略了一种循环,时间复杂度被降到n。

根据n的取值判断算法是否合理
假设机器速度时每秒10^8次基本运算,1秒内能解决最大问题规模n

若题目范围中n的可取值较大,我们就不太可能使用前几种时间复杂度的程序解答,若n的取值较小,则可以使用。

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