减而治之

线性递归模式,往往对应于减而治之(decrease-and-conquer)的算法策略:

递归每深入一层,待求解问题的规模都缩减一个常数,直至最终蜕化为平凡小的问题。

案例1:数组求和之线性递归

算法实现:

int sum(int n)
{
    if(n == 0)
        return 0;
    return sum(n - 1) + n;
}

算法分析:

  1. 时间复杂度:
    O(n)
  2. 空间复杂度:
    O(n)

案例2:数组倒置

问题描述:
考查数组倒置问题, 也就是将数组中各元素的次序前后翻转。 比如,若输入数组为:
A[] = { 3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6 }
则倒置后为:
A[] = { 6, 2, 9, 5, 1, 4, 1, 3 }

算法思路:
为得到整个数组的倒置,可以先对换其首、末元素,然后递归地倒置除这两个元素以外的部分。

算法实现:

#include <iostream>
using namespace std;

void reverse(int *A, int lo, int hi)
{
    if(lo < hi)
    {
        int t = A[lo];
        A[lo] = A[hi];
        A[hi] = t;
        reverse(A, lo + 1, hi - 1);
    }
}

void reverse(int *A, int n)
{
    reverse(A, 0, n - 1);
}

int main()
{
    int A[8] = { 3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6 };
    int n = 8;
    reverse(A, n);
    
    for(int i = 0; i < n; i++)
        cout << A[i] <<" ";
    cout << endl;
    return 0;
}

算法分析:

  1. 时间复杂度:

递归跟踪法:

递归跟踪图

从中可以清楚地看出,每递归深入一层,入口参数lo和hi之间的差距必然缩小2,因此递归深度(亦即时间复杂度)为:(hi - lo) / 2 = n/2 = O(n)

递推方程法:

  1. 将处理长度为n的数组所需时间成本记为T(n)。
  2. 为解决长度为n的数组,需递归解决长度为n - 2的数组,以及两个元素的交换。
    可得一般性的递推关系:
    T(n) = T(n - 2) + O(1) = T(n - 2) + c ,其中c为常数
  3. 抵达递归基时,求解平凡问题需要常数时间(返回),即可获得如下边界条件:
    T(1) = T(0) = O(1) = c', 其中c'为常数
T(n) = T(n - 2) + c (1)
T(1) = c'           (2)//n为奇数
使用 n - 2 替换(1)式中的 n,得:
T(n - 2) = T(n - 4) + c (3)

T(n) + c = T(n - 2) + 2c
T(n) + c = T(n - 4) + c + 2c //使用(3)式做等价替换
T(n) + c = T(n - 4) + 3c = T(n - 6) + 4c = T(n - 8) + 5c
T(n) + c = ...
T(n) + c = T(1) + [(n - 1)/2 + 1]c
T(n) + c = c' + [(n + 1)/2]c
T(n) = [(n - 1)/2]c + c'
T(n) = O(n) 
  1. 空间复杂度:
    O(1)
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