【演算法拾遺】三種方法求連續子陣列的最大和

蘭亭風雨發表於2014-03-13

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    這是一道考的爛的不能再爛的題目,但是依然有很多公司樂於將這樣的題目作為筆試或面試題,足見其經典。

    問題是這樣的:一個整數陣列中的元素有正有負,在該陣列中找出一個連續子陣列,要求該連續子陣列中各元素的和最大,這個連續子陣列便被稱作最大連續子陣列。比如陣列{2,4,-7,5,2,-1,2,-4,3}的最大連續子陣列為{5,2,-1,2},最大連續子陣列的和為5+2-1+2=8。

    下面按照時間複雜度逐步優化的順序依次給出這三種演算法。


暴力求解法

    該方法的思想非常簡單,先找出從第1個元素開始的最大子陣列,而後再從第2個元素開始找出從第2個元素開始的最大子陣列,依次類推,比較得出最大的子陣列。實現程式碼如下:

/*
常規方法,時間複雜度O(n*n)
先從第一個元素開始向後累加,
每次累加後與之前的和比較,保留最大值,
再從第二個元素開始向後累加,以此類推。
*/
int MaxSubSum1(int *arr,int len)
{
	int i,j;
	int MaxSum = 0;
	//每次開始累加的起始位置的迴圈
	for(i=0;i<len;i++)
	{
		int CurSum = 0;
		//向後累加的迴圈
		for(j=i;j<len;j++)
		{
			CurSum += arr[j];
			if(CurSum > MaxSum)
				MaxSum = CurSum;
		}
	}
	return MaxSum;
}

    很明顯地可以看出,該方法的時間複雜度為O(n*n)。


分治求解法

    考慮將陣列從中間分為兩個子陣列,則最大子陣列必然出現在以下三種情況之一:

    1、完全位於左邊的陣列中。

    2、完全位於右邊的陣列中。

    3、跨越中點,包含左右陣列中靠近中點的部分。

    遞迴將左右子陣列再分別分成兩個陣列,直到子陣列中只含有一個元素,退出每層遞迴前,返回上面三種情況中的最大值。實現程式碼如下:

/*
求三個數中的最大值
*/
int Max3(int a,int b,int c)
{
	int Max = a;
	if(b > Max)
		Max = b;
	if(c > Max)
		Max = c;
	return Max;
}

/*
次優演算法,採用分治策略
*/
int MaxSubSum2(int *arr,int left,int right)
{
	int MaxLeftSum,MaxRightSum;	//左右邊的最大和
	int MaxLeftBorderSum,MaxRightBorderSum;	//含中間邊界的左右部分最大和
	int LeftBorderSum,RightBorderSum;	//含中間邊界的左右部分當前和
	int i,center;

	//遞迴到最後的基本情況
	if(left == right)
		if(arr[left]>0)
			return arr[left];
		else
			return 0;

	//求含中間邊界的左右部分的最大值
	center = (left + right)/2;
	MaxLeftBorderSum = 0;
	LeftBorderSum = 0;
	for(i=center;i>=left;i--)
	{
		LeftBorderSum += arr[i];
		if(LeftBorderSum > MaxLeftBorderSum)
			MaxLeftBorderSum = LeftBorderSum;
	}
	MaxRightBorderSum = 0;
	RightBorderSum = 0;
	for(i=center+1;i<=right;i++)
	{
		RightBorderSum += arr[i];
		if(RightBorderSum > MaxRightBorderSum)
			MaxRightBorderSum = RightBorderSum;
	}

	//遞迴求左右部分最大值
	MaxLeftSum = MaxSubSum2(arr,left,center);
	MaxRightSum = MaxSubSum2(arr,center+1,right);

	//返回三者中的最大值
	return Max3(MaxLeftSum,MaxRightSum,MaxLeftBorderSum+MaxRightBorderSum);
}

/*
將分支策略實現的演算法封裝起來
*/
int MaxSubSum2_1(int *arr,int len)
{
	return MaxSubSum2(arr,0,len-1);
}

    設該演算法的時間複雜度為T(n),則:

T(n)= 2T(n/2)+ O(n),且T(1)= 1。

    逐步遞推得到時間複雜度T(n)= O(nlogn)。


線性時間演算法

    該演算法在每次元素累加和小於0時,從下一個元素重新開始累加。實現程式碼如下:

/*
最優方法,時間複雜度O(n)
和最大的子序列的第一個元素肯定是正數
因為元素有正有負,因此子序列的最大和一定大於0
*/
int MaxSubSum3(int *arr,int len)
{
	int i;
	int MaxSum = 0;
	int CurSum = 0;
	for(i=0;i<len;i++)
	{
		CurSum += arr[i];
		if(CurSum > MaxSum)
			MaxSum = CurSum;
		//如果累加和出現小於0的情況,
		//則和最大的子序列肯定不可能包含前面的元素,
		//這時將累加和置0,從下個元素重新開始累加
		if(CurSum < 0)
			CurSum = 0;
	}
	return MaxSum;
}

    顯然,該演算法的時間複雜度O(n)。該演算法理解起來應該不難,但是要想出來可就不容易了。另外,該演算法的一個附帶的有點是:它只對資料進行一次掃描,一旦元素被讀入並被處理,它就不再需要被記憶。因此,如果陣列在磁碟或磁帶上,他就可以被順序讀入,在主存中不必儲存陣列的任何部分。不僅如此,在任意時刻,該演算法都能對它已經讀入的資料給出最大子陣列(另外兩種演算法不具有這種特性)。具有這種特性的演算法叫做聯機演算法。



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