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Python分治法定義與應(yīng)用實(shí)例詳解

2020-01-04 17:05:09
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供稿:網(wǎng)友

本文實(shí)例講述了Python分治法定義與應(yīng)用。分享給大家供大家參考,具體如下:

分治法所能解決的問(wèn)題一般具有以下幾個(gè)特征:

1) 該問(wèn)題的規(guī)模縮小到一定的程度就可以容易地解決
2) 該問(wèn)題可以分解為若干個(gè)規(guī)模較小的相同問(wèn)題,即該問(wèn)題具有最優(yōu)子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。
3) 利用該問(wèn)題分解出的子問(wèn)題的解可以合并為該問(wèn)題的解;
4) 該問(wèn)題所分解出的各個(gè)子問(wèn)題是相互獨(dú)立的,即子問(wèn)題之間不包含公共的子子問(wèn)題。

第一條特征是絕大多數(shù)問(wèn)題都可以滿足的,因?yàn)閱?wèn)題的計(jì)算復(fù)雜性一般是隨著問(wèn)題規(guī)模的增加而增加;

第二條特征是應(yīng)用分治法的前提它也是大多數(shù)問(wèn)題可以滿足的,此特征反映了遞歸思想的應(yīng)用;

第三條特征是關(guān)鍵,能否利用分治法完全取決于問(wèn)題是否具有第三條特征,如果具備了第一條和第二條特征,而不具備第三條特征,則可以考慮用貪心法或動(dòng)態(tài)規(guī)劃法。

第四條特征涉及到分治法的效率,如果各子問(wèn)題是不獨(dú)立的則分治法要做許多不必要的工作,重復(fù)地解公共的子問(wèn)題,此時(shí)雖然可用分治法,但一般用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法較好。

題目1. 給定一個(gè)順序表,編寫(xiě)一個(gè)求出其最大值的分治算法。

# 基本子算法(子問(wèn)題規(guī)模小于等于 2 時(shí))def get_max(max_list):  return max(max_list) # 這里偷個(gè)懶!# 分治法 版本一def solve(init_list):  n = len(init_list)  if n <= 2: # 若問(wèn)題規(guī)模小于等于 2,最終解決    return get_max(init_list)  # 分解(子問(wèn)題規(guī)模為 2,最后一個(gè)可能為 1)  temp_list=(init_list[i:i+2] for i in range(0, n, 2))  # 分治,合并  max_list = list(map(get_max, temp_list))  # 遞歸(樹(shù))  solve(max_list)# 分治法 版本二def solve2(init_list):  n = len(init_list)  if n <= 2: # 若問(wèn)題規(guī)模小于等于 2,解決    return get_max(init_list)  # 分解(子問(wèn)題規(guī)模為 n/2)  left_list, right_list = init_list[:n//2], init_list[n//2:]  # 遞歸(樹(shù)),分治  left_max, right_max = solve2(left_list), solve2(right_list)  # 合并  return get_max([left_max, right_max])if __name__ == "__main__":  # 測(cè)試數(shù)據(jù)  test_list = [12,2,23,45,67,3,2,4,45,63,24,23]  # 求最大值  print(solve(test_list)) # 67  print(solve2(test_list)) # 67

題目2. 給定一個(gè)順序表,判斷某個(gè)元素是否在其中。

# 子問(wèn)題算法(子問(wèn)題規(guī)模為 1)def is_in_list(init_list, el):  return [False, True][init_list[0] == el]# 分治法def solve(init_list, el):  n = len(init_list)  if n == 1: # 若問(wèn)題規(guī)模等于 1,直接解決    return is_in_list(init_list, el)  # 分解(子問(wèn)題規(guī)模為 n/2)  left_list, right_list = init_list[:n//2], init_list[n//2:]  # 遞歸(樹(shù)),分治,合并  res = solve(left_list, el) or solve(right_list, el)  return resif __name__ == "__main__":  # 測(cè)試數(shù)據(jù)  test_list = [12,2,23,45,67,3,2,4,45,63,24,23]  # 查找  print(solve2(test_list, 45)) # True  print(solve2(test_list, 5)) # False

題目3. 找出一組序列中的第 k 小的元素,要求線性時(shí)間

# 劃分(基于主元 pivot),注意:非就地劃分def partition(seq):  pi = seq[0]              # 挑選主元  lo = [x for x in seq[1:] if x <= pi] # 所有小的元素  hi = [x for x in seq[1:] if x > pi]  # 所有大的元素  return lo, pi, hi# 查找第 k 小的元素def select(seq, k):  # 分解  lo, pi, hi = partition(seq)  m = len(lo)  if m == k:    return pi        # 解決!  elif m < k:    return select(hi, k-m-1) # 遞歸(樹(shù)),分治  else:    return select(lo, k)   # 遞歸(樹(shù)),分治if __name__ == '__main__':  seq = [3, 4, 1, 6, 3, 7, 9, 13, 93, 0, 100, 1, 2, 2, 3, 3, 2]  print(select(seq, 3)) #2  print(select(seq, 5)) #2

題目4. 快速排序

# 劃分(基于主元 pivot),注意:非就地劃分def partition(seq):  pi = seq[0]              # 挑選主元  lo = [x for x in seq[1:] if x <= pi] # 所有小的元素  hi = [x for x in seq[1:] if x > pi]  # 所有大的元素  return lo, pi, hi# 快速排序def quicksort(seq):  # 若問(wèn)題規(guī)模小于等于1,解決  if len(seq) <= 1: return seq  # 分解  lo, pi, hi = partition(seq)  # 遞歸(樹(shù)),分治,合并  return quicksort(lo) + [pi] + quicksort(hi)seq = [7, 5, 0, 6, 3, 4, 1, 9, 8, 2]print(quicksort(seq)) #[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

題目5. 合并排序(二分排序)

# 合并排序def mergesort(seq):  # 分解(基于中點(diǎn))  mid = len(seq) // 2  left_seq, right_seq = seq[:mid], seq[mid:]  # 遞歸(樹(shù)),分治  if len(left_seq) > 1: left_seq = mergesort(left_seq)  if len(right_seq) > 1: right_seq = mergesort(right_seq)  # 合并  res = []  while left_seq and right_seq:     # 只要兩者皆非空    if left_seq[-1] >= right_seq[-1]: # 兩者尾部較大者,彈出      res.append(left_seq.pop())    else:      res.append(right_seq.pop())  res.reverse()             # 倒序  return (left_seq or right_seq) + res  # 前面加上剩下的非空的seqseq = [7, 5, 0, 6, 3, 4, 1, 9, 8, 2]print(mergesort(seq)) #[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

題目6. 漢諾塔

# 漢諾塔def move(n, a, buffer, c):  if n == 1:    print(a,"->",c)    #return  else:    # 遞歸(線性)    move(n-1, a, c, buffer)    move(1, a, buffer, c) # 或者:print(a,"->",c)    move(n-1, buffer, a, c)move(3, "a", "b", "c")

問(wèn)題7. 爬樓梯

假設(shè)你正在爬樓梯,需要n步你才能到達(dá)頂部。但每次你只能爬一步或者兩步,你能有多少種不同的方法爬到樓頂部?

# 爬樓梯def climb(n=7):  if n <= 2:    return n  return climb(n-1) + climb(n-2) # 等價(jià)于斐波那契數(shù)列!print(climb(5)) # 8print(climb(7)) # 21

問(wèn)題8. 給定平面上n個(gè)點(diǎn),找其中的一對(duì)點(diǎn),使得在n個(gè)點(diǎn)的所有點(diǎn)對(duì)中,該點(diǎn)對(duì)的距離最小。(最近點(diǎn)對(duì)問(wèn)題)

from math import sqrt# 蠻力法def solve(points):  n = len(points)  min_d = float("inf") # 最小距離:無(wú)窮大  min_ps = None    # 最近點(diǎn)對(duì)  for i in range(n-1):    for j in range(i+1, n):      d = sqrt((points[i][0] - points[j][0])**2 + (points[i][1] - points[j][1])**2) # 兩點(diǎn)距離      if d < min_d:        min_d = d            # 修改最小距離        min_ps = [points[i], points[j]] # 保存最近點(diǎn)對(duì)  return min_ps# 最接近點(diǎn)對(duì)(報(bào)錯(cuò)!)def nearest_dot(seq):  # 注意:seq事先已對(duì)x坐標(biāo)排序  n = len(seq)  if n <= 2: return seq # 若問(wèn)題規(guī)模等于 2,直接解決  # 分解(子問(wèn)題規(guī)模n/2)  left, right = seq[0:n//2], seq[n//2:]  print(left, right)  mid_x = (left[-1][0] + right[0][0])/2.0  # 遞歸,分治  lmin = (left, nearest_dot(left))[len(left) > 2]  # 左側(cè)最近點(diǎn)對(duì)  rmin = (right, nearest_dot(right))[len(right) > 2] # 右側(cè)最近點(diǎn)對(duì)  # 合并  dis_l = (float("inf"), get_distance(lmin))[len(lmin) > 1]  dis_r = (float("inf"), get_distance(rmin))[len(rmin) > 1]  d = min(dis_l, dis_r)  # 最近點(diǎn)對(duì)距離  # 處理中線附近的帶狀區(qū)域(近似蠻力)  left = list(filter(lambda p:mid_x - p[0] <= d, left))  #中間線左側(cè)的距離<=d的點(diǎn)  right = list(filter(lambda p:p[0] - mid_x <= d, right)) #中間線右側(cè)的距離<=d的點(diǎn)  mid_min = []  for p in left:    for q in right:      if abs(p[0]-q[0])<=d and abs(p[1]-q[1]) <= d:   #如果右側(cè)部分點(diǎn)在p點(diǎn)的(d,2d)之間        td = get_distance((p,q))        if td <= d:          mid_min = [p,q]  # 記錄p,q點(diǎn)對(duì)          d = td      # 修改最小距離  if mid_min:    return mid_min  elif dis_l>dis_r:    return rmin  else:    return lmin# 兩點(diǎn)距離def get_distance(min):  return sqrt((min[0][0]-min[1][0])**2 + (min[0][1]-min[1][1])**2)def divide_conquer(seq):  seq.sort(key=lambda x:x[0])  res = nearest_dot(seq)  return res# 測(cè)試seq=[(0,1),(3,2),(4,3),(5,1),(1,2),(2,1),(6,2),(7,2),(8,3),(4,5),(9,0),(6,4)]print(solve(seq)) # [(6, 2), (7, 2)]#print(divide_conquer(seq)) # [(6, 2), (7, 2)]

問(wèn)題9. 從數(shù)組 seq 中找出和為 s 的數(shù)值組合,有多少種可能

'''求一個(gè)算法:N個(gè)數(shù),用其中M個(gè)任意組合相加等于一個(gè)已知數(shù)X。得出這M個(gè)數(shù)是哪些數(shù)。比如:seq = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]s = 14 # 和全部可能的數(shù)字組合有:5+9, 6+81+4+9, 1+5+8, 1+6+7, 2+3+9, 2+4+8, 2+5+7, 3+4+7, 3+5+61+2+5+6, 1+3+4+6, 1+2+4+7, 1+2+3+8, 2+3+4+5共計(jì)15種'''# 版本一(純計(jì)數(shù))def find(seq, s):  n = len(seq)  if n==1:    return [0, 1][seq[0]==s]  if seq[0]==s:    return 1 + find(seq[1:], s)  else:    return find(seq[1:], s-seq[0]) + find(seq[1:], s)# 測(cè)試seq = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]s = 14 # 和print(find(seq, s)) # 15seq = [11,23,6,31,8,9,15,20,24,14]s = 40 # 和print(find(seq, s)) #8# 版本二 (打印)def find2(seq, s, tmp=''):  if len(seq)==0:  # 終止條件    return  if seq[0] == s:        # 找到一種,則    print(tmp + str(seq[0])) # 打印  find2(seq[1:], s, tmp)               # 尾遞歸 ---不含 seq[0] 的情況  find2(seq[1:], s-seq[0], str(seq[0]) + '+' + tmp)  # 尾遞歸 ---含 seq[0] 的情況# 測(cè)試seq = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]s = 14 # 和find2(seq, s)print()seq = [11,23,6,31,8,9,15,20,24,14]s = 40 # 和find2(seq, s)

 

希望本文所述對(duì)大家Python程序設(shè)計(jì)有所幫助。

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