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2023-07-26 08:59:03 +08:00
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@@ -3394,8 +3394,8 @@
<p>从分治角度,我们将搜索区间 <span class="arithmatex">\([i, j]\)</span> 对应的子问题记为 <span class="arithmatex">\(f(i, j)\)</span></p>
<p>从原问题 <span class="arithmatex">\(f(0, n-1)\)</span> 为起始点,二分查找的分治步骤为:</p>
<ol>
<li>计算搜索区间 <span class="arithmatex">\([i, j]\)</span> 的中点 <span class="arithmatex">\(m\)</span> ,根据它排除一半搜索区间</li>
<li>递归求解规模减小一半的子问题,可能为 <span class="arithmatex">\(f(i, m-1)\)</span><span class="arithmatex">\(f(m+1, j)\)</span> </li>
<li>计算搜索区间 <span class="arithmatex">\([i, j]\)</span> 的中点 <span class="arithmatex">\(m\)</span> ,根据它排除一半搜索区间</li>
<li>递归求解规模减小一半的子问题,可能为 <span class="arithmatex">\(f(i, m-1)\)</span><span class="arithmatex">\(f(m+1, j)\)</span> </li>
<li>循环第 <code>1.</code> , <code>2.</code> 步,直至找到 <code>target</code> 或区间为空时返回。</li>
</ol>
<p>下图展示了在数组中二分查找元素 <span class="arithmatex">\(6\)</span> 的分治过程。</p>

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@@ -3428,14 +3428,14 @@
<p>根据以上分析,这道题是可以使用分治来求解的,但问题是:<strong>如何通过前序遍历 <code>preorder</code> 和中序遍历 <code>inorder</code> 来划分左子树和右子树呢</strong></p>
<p>根据定义,<code>preorder</code><code>inorder</code> 都可以被划分为三个部分:</p>
<ul>
<li>前序遍历:<code>[ 根节点 | 左子树 | 右子树 ]</code> ,例如上图 <code>[ 3 | 9 | 2 1 7 ]</code> </li>
<li>中序遍历:<code>[ 左子树 | 根节点 右子树 ]</code> ,例如上图 <code>[ 9 | 3 | 1 2 7 ]</code> </li>
<li>前序遍历:<code>[ 根节点 | 左子树 | 右子树 ]</code> ,例如上图 <code>[ 3 | 9 | 2 1 7 ]</code> </li>
<li>中序遍历:<code>[ 左子树 | 根节点 右子树 ]</code> ,例如上图 <code>[ 9 | 3 | 1 2 7 ]</code> </li>
</ul>
<p>以上图数据为例,我们可以通过以下步骤得到上述的划分结果:</p>
<ol>
<li>前序遍历的首元素 3 是根节点的值</li>
<li>查找根节点 3 在 <code>inorder</code> 中的索引,利用该索引可将 <code>inorder</code> 划分为 <code>[ 9 | 3 1 2 7 ]</code> </li>
<li>根据 <code>inorder</code> 划分结果,易得左子树和右子树的节点数量分别为 1 和 3 ,从而可将 <code>preorder</code> 划分为 <code>[ 3 | 9 | 2 1 7 ]</code> </li>
<li>前序遍历的首元素 3 是根节点的值</li>
<li>查找根节点 3 在 <code>inorder</code> 中的索引,利用该索引可将 <code>inorder</code> 划分为 <code>[ 9 | 3 1 2 7 ]</code> </li>
<li>根据 <code>inorder</code> 划分结果,易得左子树和右子树的节点数量分别为 1 和 3 ,从而可将 <code>preorder</code> 划分为 <code>[ 3 | 9 | 2 1 7 ]</code> </li>
</ol>
<p><img alt="在前序和中序遍历中划分子树" src="../build_binary_tree_problem.assets/build_tree_preorder_inorder_division.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 在前序和中序遍历中划分子树 </p>
@@ -3443,9 +3443,9 @@
<h3 id="_3">基于变量描述子树区间<a class="headerlink" href="#_3" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>根据以上划分方法,<strong>我们已经得到根节点、左子树、右子树在 <code>preorder</code><code>inorder</code> 中的索引区间</strong>。而为了描述这些索引区间,我们需要借助几个指针变量:</p>
<ul>
<li>将当前树的根节点在 <code>preorder</code> 中的索引记为 <span class="arithmatex">\(i\)</span> </li>
<li>将当前树的根节点在 <code>inorder</code> 中的索引记为 <span class="arithmatex">\(m\)</span> </li>
<li>将当前树在 <code>inorder</code> 中的索引区间记为 <span class="arithmatex">\([l, r]\)</span> </li>
<li>将当前树的根节点在 <code>preorder</code> 中的索引记为 <span class="arithmatex">\(i\)</span> </li>
<li>将当前树的根节点在 <code>inorder</code> 中的索引记为 <span class="arithmatex">\(m\)</span> </li>
<li>将当前树在 <code>inorder</code> 中的索引区间记为 <span class="arithmatex">\([l, r]\)</span> </li>
</ul>
<p>如下表所示,通过以上变量即可表示根节点在 <code>preorder</code> 中的索引,以及子树在 <code>inorder</code> 中的索引区间。</p>
<div class="center-table">

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@@ -3438,8 +3438,8 @@
<h1 id="121">12.1. &nbsp; 分治算法<a class="headerlink" href="#121" title="Permanent link">&para;</a></h1>
<p>「分治 Divide and Conquer」全称分而治之是一种非常重要且常见的算法策略。分治通常基于递归实现包括“分”和“治”两步</p>
<ol>
<li><strong>分(划分阶段)</strong>:递归地将原问题分解为两个或多个子问题,直至到达最小子问题时终止</li>
<li><strong>治(合并阶段)</strong>:从已知解的最小子问题开始,从底至顶地将子问题的解进行合并,从而构建出原问题的解</li>
<li><strong>分(划分阶段)</strong>:递归地将原问题分解为两个或多个子问题,直至到达最小子问题时终止</li>
<li><strong>治(合并阶段)</strong>:从已知解的最小子问题开始,从底至顶地将子问题的解进行合并,从而构建出原问题的解</li>
</ol>
<p>已介绍过的「归并排序」是分治策略的典型应用之一,它的分治策略为:</p>
<ol>
@@ -3458,9 +3458,9 @@
</ol>
<p>显然归并排序,满足以上三条判断依据:</p>
<ol>
<li>递归地将数组(原问题)划分为两个子数组(子问题)</li>
<li>每个子数组都可以独立地进行排序(子问题可以独立进行求解)</li>
<li>两个有序子数组(子问题的解)可以被合并为一个有序数组(原问题的解)</li>
<li>递归地将数组(原问题)划分为两个子数组(子问题)</li>
<li>每个子数组都可以独立地进行排序(子问题可以独立进行求解)</li>
<li>两个有序子数组(子问题的解)可以被合并为一个有序数组(原问题的解)</li>
</ol>
<h2 id="1212">12.1.2. &nbsp; 通过分治提升效率<a class="headerlink" href="#1212" title="Permanent link">&para;</a></h2>
<p>分治不仅可以有效地解决算法问题,<strong>往往还可以带来算法效率的提升</strong>。在排序算法中,快速排序、归并排序、堆排序相较于选择、冒泡、插入排序更快,就是因为它们应用了分治策略。</p>

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@@ -3401,9 +3401,9 @@
<p class="admonition-title">Question</p>
<p>给定三根柱子,记为 <code>A</code> , <code>B</code> , <code>C</code> 。起始状态下,柱子 <code>A</code> 上套着 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 个圆盘,它们从上到下按照从小到大的顺序排列。我们的任务是要把这 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 个圆盘移到柱子 <code>C</code> 上,并保持它们的原有顺序不变。在移动圆盘的过程中,需要遵守以下规则:</p>
<ol>
<li>圆盘只能从一个柱子顶部拿出,从另一个柱子顶部放入</li>
<li>每次只能移动一个圆盘</li>
<li>小圆盘必须时刻位于大圆盘之上</li>
<li>圆盘只能从一个柱子顶部拿出,从另一个柱子顶部放入</li>
<li>每次只能移动一个圆盘</li>
<li>小圆盘必须时刻位于大圆盘之上</li>
</ol>
</div>
<p><img alt="汉诺塔问题示例" src="../hanota_problem.assets/hanota_example.png" /></p>
@@ -3424,9 +3424,9 @@
</div>
<p>对于问题 <span class="arithmatex">\(f(2)\)</span> ,即当有两个圆盘时,<strong>由于要时刻满足小圆盘在大圆盘之上,因此需要借助 <code>B</code> 来完成移动</strong>,包括三步:</p>
<ol>
<li>先将上面的小圆盘从 <code>A</code> 移至 <code>B</code> </li>
<li>再将大圆盘从 <code>A</code> 移至 <code>C</code> </li>
<li>最后将小圆盘从 <code>B</code> 移至 <code>C</code> </li>
<li>先将上面的小圆盘从 <code>A</code> 移至 <code>B</code> </li>
<li>再将大圆盘从 <code>A</code> 移至 <code>C</code> </li>
<li>最后将小圆盘从 <code>B</code> 移至 <code>C</code> </li>
</ol>
<p>解决问题 <span class="arithmatex">\(f(2)\)</span> 的过程可总结为:<strong>将两个圆盘借助 <code>B</code><code>A</code> 移至 <code>C</code></strong> 。其中,<code>C</code> 称为目标柱、<code>B</code> 称为缓冲柱。</p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="2:4"><input checked="checked" id="__tabbed_2_1" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_2" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_3" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_4" name="__tabbed_2" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_2_1">&lt;1&gt;</label><label for="__tabbed_2_2">&lt;2&gt;</label><label for="__tabbed_2_3">&lt;3&gt;</label><label for="__tabbed_2_4">&lt;4&gt;</label></div>
@@ -3448,9 +3448,9 @@
<h3 id="_2">子问题分解<a class="headerlink" href="#_2" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>对于问题 <span class="arithmatex">\(f(3)\)</span> ,即当有三个圆盘时,情况变得稍微复杂了一些。由于已知 <span class="arithmatex">\(f(1)\)</span><span class="arithmatex">\(f(2)\)</span> 的解,因此可从分治角度思考,<strong><code>A</code> 顶部的两个圆盘看做一个整体</strong>,执行以下步骤:</p>
<ol>
<li><code>B</code> 为目标柱、<code>C</code> 为缓冲柱,将两个圆盘从 <code>A</code> 移动至 <code>B</code> </li>
<li><code>A</code> 中剩余的一个圆盘从 <code>A</code> 直接移动至 <code>C</code> </li>
<li><code>C</code> 为目标柱、<code>A</code> 为缓冲柱,将两个圆盘从 <code>B</code> 移动至 <code>C</code> </li>
<li><code>B</code> 为目标柱、<code>C</code> 为缓冲柱,将两个圆盘从 <code>A</code> 移动至 <code>B</code> </li>
<li><code>A</code> 中剩余的一个圆盘从 <code>A</code> 直接移动至 <code>C</code> </li>
<li><code>C</code> 为目标柱、<code>A</code> 为缓冲柱,将两个圆盘从 <code>B</code> 移动至 <code>C</code> </li>
</ol>
<p>这样三个圆盘就被顺利地从 <code>A</code> 移动至 <code>C</code> 了。</p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="3:4"><input checked="checked" id="__tabbed_3_1" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_2" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_3" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_4" name="__tabbed_3" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_3_1">&lt;1&gt;</label><label for="__tabbed_3_2">&lt;2&gt;</label><label for="__tabbed_3_3">&lt;3&gt;</label><label for="__tabbed_3_4">&lt;4&gt;</label></div>
@@ -3472,9 +3472,9 @@
<p>本质上看,<strong>我们将问题 <span class="arithmatex">\(f(3)\)</span> 划分为两个子问题 <span class="arithmatex">\(f(2)\)</span> 和子问题 <span class="arithmatex">\(f(1)\)</span></strong> 。按顺序解决这三个子问题之后,原问题随之得到解决。这说明子问题是独立的,且解是可以合并的。</p>
<p>至此,我们可总结出汉诺塔问题的分治策略:将原问题 <span class="arithmatex">\(f(n)\)</span> 划分为两个子问题 <span class="arithmatex">\(f(n-1)\)</span> 和一个子问题 <span class="arithmatex">\(f(1)\)</span> 。子问题的解决顺序为:</p>
<ol>
<li><span class="arithmatex">\(n-1\)</span> 个圆盘借助 <code>C</code><code>A</code> 移至 <code>B</code> </li>
<li>将剩余 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 个圆盘从 <code>A</code> 直接移至 <code>C</code> </li>
<li><span class="arithmatex">\(n-1\)</span> 个圆盘借助 <code>A</code><code>B</code> 移至 <code>C</code> </li>
<li><span class="arithmatex">\(n-1\)</span> 个圆盘借助 <code>C</code><code>A</code> 移至 <code>B</code> </li>
<li>将剩余 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 个圆盘从 <code>A</code> 直接移至 <code>C</code> </li>
<li><span class="arithmatex">\(n-1\)</span> 个圆盘借助 <code>A</code><code>B</code> 移至 <code>C</code> </li>
</ol>
<p>对于这两个子问题 <span class="arithmatex">\(f(n-1)\)</span> <strong>可以通过相同的方式进行递归划分</strong>,直至达到最小子问题 <span class="arithmatex">\(f(1)\)</span> 。而 <span class="arithmatex">\(f(1)\)</span> 的解是已知的,只需一次移动操作即可。</p>
<p><img alt="汉诺塔问题的分治策略" src="../hanota_problem.assets/hanota_divide_and_conquer.png" /></p>