算法导论笔记（2）

浏览数：22 / 时间：2015年06月08日

算法导论笔记（2）

算法导论笔记2

分治策略

代入法

两个步骤：
1）猜测解的形式
2）用数学归纳法找出解真正有效的常数

递归树法

画出一颗递归树来得到好猜测。
在递归树中，每一个结点都代表递归函数调用集合中一个子问题的代价。我们将树中每一层内的代价相加得到一个每层代价的集合，再将每层的代价相加得到递归是所有层次的总代价。
T(n) = 3T(n / 4) + cn^2
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主方法

主定理有三种情况，不同的情况有不同的用法
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最大子数组

思想

A[low..high]中，可能有三种情况:

完全位于子数组A[low..mid]中
完全位于子数组A[mid..high]中
跨越了中点

所以可以递归的求解

代码

#include <cstdio>
const int MININT = -10000;
int crossArray(int a[],int low,int high){
    int mid=(low+high)/2,
        sum=0,
        left=0,
        right=0;
        for (int i = mid; i >=low ; i--)
        {
            sum+=a[i];
            if (sum>left)
            {
                left=sum;
            }
        }
        sum=0;
        for (int i = mid+1; i <=high ; ++i)
        {
            sum+=a[i];
            if (sum>right)
            {
                right=sum;
            }
        }
        return left+right;
}
int maxArray(int a[],int low,int high){
    if(low==high){return a[low];}
    int mid=(low+high)/2,
        leftMax=MININT,
        rightMax=MININT,
        centerMax=MININT;
    leftMax=maxArray(a,low,mid);
    rightMax=maxArray(a,mid+1,high);
    centerMax=crossArray(a,low,high);
    if (leftMax>=rightMax&&leftMax>=centerMax){
        return leftMax;
    }else if(rightMax>=leftMax&&rightMax>=centerMax){
        return rightMax;
    }else{
        return centerMax;
    }
}
int main(int argc, char const *argv[])
{
    int a[7]={2,-5,6,12,66,1,-55};
    printf("%d\n",maxArray(a,0,6));
    return 0;
}

矩阵算法

普通计算

MARTRIX-MULTIPLY(A,B){
    n=A.length;
    ElemType C[N];
    for i=1 to n
        for j=1 to n
        C^ij=0
        for k=1 to n
            C^ij=C^ij+A^ik*B^kj;
    return C;
}

strassen算法

一般矩阵乘法的时间复杂度为n^3=n^{log2^8}，Strassen算法则是O(n^{log2^7}) = O(n^{2.807})。但Strassen算法的数值稳定性较差。

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一般算法需要八次乘法
r = a * e + b * g ;
s = a * f + b * h ;
t = c * e + d * g;
u = c * f + d * h;

strassen将其变成7次乘法，因为大家都知道乘法比加减法消耗更多，所有时间复杂更高
strassen的处理是：
令：
p1 = a * ( f - h )
p2 = ( a + b ) * h
p3 = ( c +d ) * e
p4 = d * ( g - e )
p5 = ( a + d ) * ( e + h )
p6 = ( b - d ) * ( g + h )
p7 = ( a - c ) * ( e + f )

那么我们可以知道：
r = p5 + p4 + p6 - p2
s = p1 + p2
t = p3 + p4
u = p5 + p1 - p3 - p7

// strassen 算法：将矩阵相乘的复杂度降到O(n^lg7) ~= O(n^2.81)
// 原理是将8次乘法减少到7次的处理
// 现在理论上的最好的算法是O(n^2,367)，仅仅是理论上的而已
//
//
// 下面的代码仅仅是简单的实例而已，不必较真哦，呵呵~
// 下面的空间可以优化的，此处就不麻烦了~

#include <stdio.h>

#define  N  10

//matrix + matrix
void plus( int t[N/2][N/2], int r[N/2][N/2], int s[N/2][N/2] )
{
    int i, j;
    for( i = 0; i < N / 2; i++ )
    {
        for( j = 0; j < N / 2; j++ )
        {
            t[i][j] = r[i][j] + s[i][j];
        }
    }
}

//matrix - matrix
void minus( int t[N/2][N/2], int r[N/2][N/2], int s[N/2][N/2] )
{
    int i, j;
    for( i = 0; i < N / 2; i++ )
    {
        for( j = 0; j < N / 2; j++ )
        {
            t[i][j] = r[i][j] - s[i][j];
        }
    }
}

//matrix * matrix
void mul( int t[N/2][N/2], int r[N/2][N/2], int s[N/2][N/2]  )
{
    int i, j, k;
    for( i = 0; i < N / 2; i++ )
    {
        for( j = 0; j < N / 2; j++ )
        {
            t[i][j] = 0;
            for( k = 0; k < N / 2; k++ )
            {
                t[i][j] += r[i][k] * s[k][j];
            }
        }
    }
}

int main()
{
    int i, j, k;
    int mat[N][N];
    int m1[N][N];
    int m2[N][N];
    int a[N/2][N/2],b[N/2][N/2],c[N/2][N/2],d[N/2][N/2];
    int e[N/2][N/2],f[N/2][N/2],g[N/2][N/2],h[N/2][N/2];
    int p1[N/2][N/2],p2[N/2][N/2],p3[N/2][N/2],p4[N/2][N/2];
    int p5[N/2][N/2],p6[N/2][N/2],p7[N/2][N/2];
    int r[N/2][N/2], s[N/2][N/2], t[N/2][N/2], u[N/2][N/2], t1[N/2][N/2], t2[N/2][N/2];


    printf("\nInput the first matrix...:\n");
    for( i = 0; i < N; i++ )
    {
        for( j = 0; j < N; j++ )
        {
            scanf("%d", &m1[i][j]);
        }
    }

    printf("\nInput the second matrix...:\n");
    for( i = 0; i < N; i++ )
    {
        for( j = 0; j < N; j++ )
        {
            scanf("%d", &m2[i][j]);
        }
    }

    // a b c d e f g h
    for( i = 0; i < N / 2; i++ )
    {
        for( j = 0; j < N / 2; j++ )
        {
            a[i][j] = m1[i][j];
            b[i][j] = m1[i][j + N / 2];
            c[i][j] = m1[i + N / 2][j];
            d[i][j] = m1[i + N / 2][j + N / 2];
            e[i][j] = m2[i][j];
            f[i][j] = m2[i][j + N / 2];
            g[i][j] = m2[i + N / 2][j];
            h[i][j] = m2[i + N / 2][j + N / 2];
        }
    }

    //p1
    minus( r, f, h );
    mul( p1, a, r ); 

    //p2
    plus( r, a, b );
    mul( p2, r, h );

    //p3
    plus( r, c, d );
    mul( p3, r, e );

    //p4
    minus( r, g, e );
    mul( p4, d, r );

    //p5
    plus( r, a, d );
    plus( s, e, f );
    mul( p5, r, s );

    //p6
    minus( r, b, d );
    plus( s, g, h );
    mul( p6, r, s );

    //p7
    minus( r, a, c );
    plus( s, e, f );
    mul( p7, r, s );

    //r = p5 + p4 - p2 + p6
    plus( t1, p5, p4 );
    minus( t2, t1, p2 );
    plus( r, t2, p6 );

    //s = p1 + p2
    plus( s, p1, p2 );

    //t = p3 + p4
    plus( t, p3, p4 );

    //u = p5 + p1 - p3 - p7 = p5 + p1 - ( p3 + p7 )
    plus( t1, p5, p1 );
    plus( t2, p3, p7 );
    minus( u, t1, t2 );

    for( i = 0; i < N / 2; i++ )
    {
        for( j = 0; j < N / 2; j++ )
        {
            mat[i][j] = r[i][j];
            mat[i][j + N / 2] = s[i][j];
            mat[i + N / 2][j] = t[i][j];
            mat[i + N / 2][j + N / 2] = u[i][j];
        }
    }

    printf("\n下面是strassen算法处理结果：\n");
    for( i = 0; i < N; i++ )
    {
        for( j = 0; j < N; j++ )
        {
            printf("%d ", mat[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }

    //下面是朴素算法处理
    printf("\n下面是朴素算法处理结果：\n");
    for( i = 0; i < N; i++ )
    {
        for( j = 0; j < N; j++ )
        {
            mat[i][j] = 0;
            for( k = 0; k < N; k++ )
            {
                mat[i][j] += m1[i][j] * m2[i][j];
            }
        }
    }

    for( i = 0; i < N; i++ )
    {
        for( j = 0; j < N; j++ )
        {
            printf("%d ", mat[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }

    return 0;
}