最大子列和问题的4种复杂度算法

  • 定义:给定N个整数的序列 (A_1, A_2, ..., A_N),求函数 f(i, j)=max(0, \sum_{k=i}^{j} A_k )的最大值(若最大子列和为负数,则返回0)。

  • 算法1——T(N)=O(N^3)

    int MaxSubSeqSum1(int a[], int n) {
        int maxSum = 0, thisSum = 0;
    
        // i: 子列左端位置,j: 子列右端位置,thisSum: a[i]~a[j]的子列和
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            for (int j = i; j < n; j++) {
                thisSum = 0;
                
                // 从左端加到右端,再移动右端位置
                for (int k = i; k <= j; k++) {
                    thisSum += a[k];
                }
                
                // 若刚得到的这个子列和更大,则更新最大子列和的值
                maxSum = thisSum > maxSum ? thisSum : maxSum;
            }
        }
        return maxSum;
    }
    
  • 算法2——T(N)=O(N^2)

    int MaxSubSeqSum2(int a[], int n) {
        int maxSum = 0, thisSum = 0;
    
        // i: 子列左端位置,j: 子列右端位置,thisSum: a[i]~a[j]的子列和
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            thisSum = 0;
    
            // 边移动边累加
            for (int j = i; j < n; j++) {
                thisSum += a[j];
                maxSum = thisSum > maxSum ? thisSum : maxSum;
            }
        }
        return maxSum;
    }
    
  • 算法3(分治法)——T(N)=O(NlogN)

    • 总体思想

      求最大子序列和,我们可以将求最大子序列和的序列分解为两个大小相等的子序列,然后在这两个大小相等的子序列中,分别求最大子序列和,如果由原序列分解的这两个子序列还可以进行分解的话,进一步分解,直到不能进行分解为止,使问题逐步简化,最后求最简化的序列的最大子序列和,沿着分解路径逐步回退,合成为最初问题的解。

    • 整体最大子列和可能出现的所有情况

      • 序列的左半部分的最大子序列和

      • 序列的右半部分的最大子序列和

      • 横跨左右得到的最大子序列和

        包含左半部分最后一个元素的最大子序列和包含右半部分第一个元素的最大子序列和 相加所得

    • 详细分析

    • 代码

    int Max3(int i, int j, int k) {
        int max = i;
    
        if (max < j) max = j;
        if (max < k) max = k;
    
        return max;
    }
    
    int MaxSubSeqSum_DC(int a[], int left, int right) {
        //  递归的返回条件: 当分解至左半边元素等于右半边元素,即子序列中只有一个元素时,它本身即最大子序列和,因此返回它本身
        if (left == right)
            return a[left];
    
        int center = (left + right) / 2;    //  左右子序列的分界点
        int L_MaxSubSeqSum = MaxSubSeqSum_DC(a, left, center);  //  左半边子序列的最大子序列和
        int R_MaxSubSeqSum = MaxSubSeqSum_DC(a, center + 1, right); //  右半边子序列的最大子序列和
    
        int MaxSubSeqSum_ContainLeftLast = a[center];   //  左半边子序列包含最后一个元素的最大子序列和 
        int CurSubSeqSum_ContainLeftLast = 0;   //  左半边子序列的和 用于更新 MaxSubSeqSum_ContainLeftLast
    
        int MaxSubSeqSum_ContainRightFirst = a[center + 1]; //  右半边子序列包含第一个元素的最大子序列和
        int CurSubSeqSum_ContainRightFirst = 0; //  右半边子序列的和 用于更新 MaxSubSeqSum_ContainRightFirst
    
        //  计算得出 MaxSubSeqSum_ContainLeftLast
        for (int i = center; i >= left; i--) {
            CurSubSeqSum_ContainLeftLast += a[i];
            if (CurSubSeqSum_ContainLeftLast > MaxSubSeqSum_ContainLeftLast)
                MaxSubSeqSum_ContainLeftLast = CurSubSeqSum_ContainLeftLast;
        }
    
        //  计算得出 MaxSubSeqSum_ContainRightFirst
        for (int j = center+1; j <= right; j++) {
            CurSubSeqSum_ContainRightFirst += a[j];
            if (CurSubSeqSum_ContainRightFirst > MaxSubSeqSum_ContainRightFirst)
                MaxSubSeqSum_ContainRightFirst = CurSubSeqSum_ContainRightFirst;
        }
    
        //  跨越左右半区的最大子序列和:左半边子序列包含最后一个元素的最大子序列和 + 右半边子序列包含第一个元素的最大子序列和
        int Cross_MaxSubSeqSum = MaxSubSeqSum_ContainLeftLast + MaxSubSeqSum_ContainRightFirst;
    
        //  返回三者中的最大值
        return Max3(L_MaxSubSeqSum, R_MaxSubSeqSum, Cross_MaxSubSeqSum);
    }
    
    //  T(n) = O(nlogn) 分治算法
    int MaxSubSeqSum3(int a[], int n) {
        return MaxSubSeqSum_DC(a, 0, n - 1);
    }
    
    • 复杂度分析
      • 确定左/右半边最大子列和的时间复杂度:T(N/2)
      • 确定跨越左右的最大子列和的复杂度(上界):O(N)
      • 推导
        • T(N) = 2 \cdot T(N/2) + c \cdot N ————A

        • 将N替换为N/2,得到:T(N/2)=2 \cdot T(N/2^2) + c \cdot N/2 ————B

        • 将 B 代入 A,得到:T(N)=2^2 \cdot T(N/2^2) + c\cdot 2\cdot N

        • 将N替换为N/2^k,直到N/2^k等于1,再代入A,得到:

          T(N)=2^k\cdot T(N/2^k) + c\cdot k\cdot N

          = 2^k\cdot T(1) + c\cdot k\cdot N

          = 2^k\cdot O(1) + c\cdot logN\cdot N

          = O(N\cdot logN)

  • 算法4(在线处理)——T(N)=O(N)
    int MaxSubSeqSum4(int a[], int n) {
        int maxSum = 0, thisSum = 0;
    
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            thisSum += a[i];
    
            if (thisSum > maxSum) {
                maxSum = thisSum;
            }
            
            // 如果当前子列和为负,则直接抛弃,寻找新的起点
            else if (thisSum < 0) {
                thisSum = 0;
            }
        }
        return maxSum;
    }
    

    “在线”是指每输入一个数据就进行即时处理,在任何一个地方终止输入,算法都能正确给出当前的解。

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