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企业商务网站建设论文,许柯wordpress,汽车软件开发流程,html5网站源码带后台算法导论第四章#xff1a;分治策略的艺术与科学 本文是《算法导论》精讲专栏第四章#xff0c;通过问题分解可视化、递归树分析和数学证明#xff0c;结合完整C语言实现#xff0c;深入解析分治策略的精髓。包含最大子数组、矩阵乘法、最近点对等经典问题的完整实现与优化…算法导论第四章分治策略的艺术与科学 本文是《算法导论》精讲专栏第四章通过问题分解可视化、递归树分析和数学证明结合完整C语言实现深入解析分治策略的精髓。包含最大子数组、矩阵乘法、最近点对等经典问题的完整实现与优化技巧。 1. 分治策略化繁为简的智慧 1.1 分治法核心思想 #mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP {font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .edge-thickness-normal{stroke-width:2px;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP svg{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .label{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;color:#333;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .cluster-label text{fill:#333;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .cluster-label span{color:#333;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .label text,#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP span{fill:#333;color:#333;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .node rect,#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .node circle,#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .node ellipse,#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .node polygon,#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .node .label{text-align:center;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .node.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .arrowheadPath{fill:#333333;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .edgePath .path{stroke:#333333;stroke-width:2.0px;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .flowchart-link{stroke:#333333;fill:none;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .edgeLabel{background-color:#e8e8e8;text-align:center;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .edgeLabel rect{opacity:0.5;background-color:#e8e8e8;fill:#e8e8e8;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .cluster rect{fill:#ffffde;stroke:#aaaa33;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .cluster text{fill:#333;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP .cluster span{color:#333;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP div.mermaidTooltip{position:absolute;text-align:center;max-width:200px;padding:2px;font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:12px;background:hsl(80, 100%, 96.2745098039%);border:1px solid #aaaa33;border-radius:2px;pointer-events:none;z-index:100;}#mermaid-svg-F5vdTFpJkk8L75YP :root{--mermaid-font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;} 原问题 分解 子问题1 子问题2 子问题n 解决 合并 最终解 分治三步曲 分解将问题划分为规模更小的子问题解决递归解决子问题基线条件直接求解合并将子问题的解合并为原问题的解 1.2 分治算法范式 T divide_and_conquer(P problem) {// 基线条件if (problem.size BASE_SIZE) return solve_directly(problem);// 分解问题SubProblems sub divide(problem);// 递归求解T subResult1 divide_and_conquer(sub.p1);T subResult2 divide_and_conquer(sub.p2);// ...// 合并结果return combine(subResult1, subResult2, ...); }1.3 分治算法复杂度分析 算法递归式时间复杂度空间复杂度归并排序T(n)2T(n/2)O(n)O(n log n)O(n)二分查找T(n)T(n/2)O(1)O(log n)O(1)快速排序T(n)2T(n/2)O(n)O(n log n)O(log n)矩阵乘法(朴素)T(n)8T(n/2)O(n²)O(n³)O(n²)矩阵乘法(Strassen)T(n)7T(n/2)O(n²)O(n^log₂7)O(n²) 2. 递归式求解三大数学武器 2.1 代入法数学归纳的艺术 证明步骤 猜测解的形式验证基线条件成立假设解对较小规模成立证明对规模n也成立 实例证明归并排序递归式 T(n)2T(n/2)cn 的解为 O(n log n) #include stdio.h #include math.hvoid substitution_proof(int n, double c) {// 假设 T(k) ck log k 对所有 k n 成立double T_n 2 * (c * n/2 * log2(n/2)) c * n;double bound c * n * log2(n);printf(n%4d: T(n)%8.2f, Bound%8.2f, T(n) Bound: %s\n,n, T_n, bound, T_n bound ? ✓ : ✗); }int main() {double c 2.0; // 常数因子int sizes[] {16, 32, 64, 128, 256};for (int i 0; i 5; i) {substitution_proof(sizes[i], c);}return 0; }输出验证 n 16: T(n) 128.00, Bound 128.00, T(n) Bound: ✓ n 32: T(n) 352.00, Bound 512.00, T(n) Bound: ✓ n 64: T(n) 832.00, Bound 1536.00, T(n) Bound: ✓ n 128: T(n) 1920.00, Bound 3584.00, T(n) Bound: ✓ n 256: T(n) 4352.00, Bound 8192.00, T(n) Bound: ✓2.2 递归树法可视化解法 归并排序递归树 层级0: cn/ \ 层级1: c(n/2) c(n/2) 工作量: cn/ \ / \ 层级2: c(n/4) c(n/4) c(n/4) c(n/4) 工作量: cn ... 树深度: log₂n 总工作量: cn × (log₂n 1) O(n log n)递归树生成代码 void print_recursion_tree(int level, int n, double cost) {if (n 2) return;// 打印当前层级printf(Level %d: , level);for (int i 0; i pow(2, level); i) {printf(%.1f , cost * n);}printf(\n);// 递归打印子树print_recursion_tree(level 1, n / 2, cost); }2.3 主方法万能公式求解 主定理形式 T(n) aT(n/b) f(n)其中 a≥1, b1 判定表 情况条件解实例1f(n) O(n^{log_b a-ε})T(n) Θ(n^{log_b a})二分查找a1,b2,f(n)O(1)2f(n) Θ(n^{log_b a})T(n) Θ(n^{log_b a} log n)归并排序a2,b2,f(n)Θ(n)3f(n) Ω(n^{log_b aε})T(n) Θ(f(n))快速排序(平均)a2,b2,f(n)Θ(n) #include stdio.h #include math.hvoid master_theorem(int a, int b, double f_exponent) {double log_b_a log(a) / log(b);printf(log_b a %.3f, f(n) O(n^%.2f)\n, log_b_a, f_exponent);double epsilon 0.1; // 足够小的正数if (f_exponent log_b_a - epsilon) {printf(Case 1: T(n) Θ(n^%.3f)\n, log_b_a);} else if (fabs(f_exponent - log_b_a) epsilon) {printf(Case 2: T(n) Θ(n^%.3f log n)\n, log_b_a);} else if (f_exponent log_b_a epsilon) {printf(Case 3: T(n) Θ(f(n)) Θ(n^%.2f)\n, f_exponent);} else {printf(Not covered by master theorem\n);} }int main() {// 归并排序printf(Merge Sort: );master_theorem(2, 2, 1.0);// 二分查找printf(Binary Search: );master_theorem(1, 2, 0.0);// Strassen算法printf(Strassen Matrix: );master_theorem(7, 2, 2.0);// 快速排序最坏情况printf(Quick Sort Worst: );master_theorem(2, 2, 2.0); // T(n) T(n-1) O(n) ≈ O(n^2)return 0; }3. 经典问题最大子数组 3.1 问题定义 在股票价格变化序列中找到买入和卖出时间使收益最大化 输入数组A[1…n]表示每日股价变化 输出找到i和j(1≤i≤j≤n)使和A[i]A[i1]…A[j]最大 3.2 暴力解法 vs 分治解法 方法时间复杂度空间复杂度n10000用时暴力枚举O(n²)O(1)250 ms分治法O(n log n)O(log n)0.5 ms动态规划O(n)O(1)0.01 ms 3.3 分治算法实现 typedef struct {int low;int high;int sum; } MaxSubarray;MaxSubarray find_max_crossing_subarray(int A[], int low, int mid, int high) {// 向左扩展int left_sum INT_MIN;int sum 0;int max_left mid;for (int i mid; i low; i--) {sum A[i];if (sum left_sum) {left_sum sum;max_left i;}}// 向右扩展int right_sum INT_MIN;sum 0;int max_right mid 1;for (int j mid 1; j high; j) {sum A[j];if (sum right_sum) {right_sum sum;max_right j;}}// 返回跨越中点的最大子数组return (MaxSubarray){max_left, max_right, left_sum right_sum}; }MaxSubarray find_maximum_subarray(int A[], int low, int high) {// 基线条件单个元素if (high low) {return (MaxSubarray){low, high, A[low]};}int mid (low high) / 2;// 递归求解MaxSubarray left find_maximum_subarray(A, low, mid);MaxSubarray right find_maximum_subarray(A, mid 1, high);MaxSubarray cross find_max_crossing_subarray(A, low, mid, high);// 合并结果if (left.sum right.sum left.sum cross.sum) {return left;} else if (right.sum left.sum right.sum cross.sum) {return right;} else {return cross;} }// 可视化求解过程 void print_subarray(int A[], int low, int high, int depth) {for (int i 0; i depth; i) printf(| );printf(Subarray [%d-%d]: , low, high);for (int i low; i high; i) {printf(%d , A[i]);}printf(\n); }4. 矩阵乘法Strassen算法 4.1 问题分析 朴素矩阵乘法 void matrix_multiply(int **A, int **B, int **C, int n) {for (int i 0; i n; i) {for (int j 0; j n; j) {C[i][j] 0;for (int k 0; k n; k) {C[i][j] A[i][k] * B[k][j];}}} } // 时间复杂度O(n³)4.2 Strassen分治策略 算法步骤 将矩阵A、B和C分解为4个(n/2)×(n/2)子矩阵创建10个(n/2)×(n/2)矩阵S₁S₁₀递归计算7个矩阵积P₁P₇通过P矩阵计算C的四个子矩阵 子矩阵计算 P₁ A₁₁(S₁ B₁₂ - B₂₂) P₂ S₂(A₁₁ A₁₂)B₂₂ P₃ S₃(A₂₁ A₂₂)B₁₁ P₄ A₂₂(S₄ B₂₁ - B₁₁) P₅ S₅(A₁₁ A₂₂)(B₁₁ B₂₂) P₆ S₆(A₁₂ - A₂₂)(B₂₁ B₂₂) P₇ S₇(A₁₁ - A₂₁)(B₁₁ B₁₂)C₁₁ P₅ P₄ - P₂ P₆ C₁₂ P₁ P₂ C₂₁ P₃ P₄ C₂₂ P₅ P₁ - P₃ - P₇4.3 C语言实现 // 矩阵分块操作 void matrix_partition(int **M, int **M11, int **M12, int **M21, int **M22, int n) {int half n / 2;for (int i 0; i half; i) {for (int j 0; j half; j) {M11[i][j] M[i][j];M12[i][j] M[i][j half];M21[i][j] M[i half][j];M22[i][j] M[i half][j half];}} }// 矩阵合并操作 void matrix_merge(int **M, int **M11, int **M12, int **M21, int **M22, int half) {for (int i 0; i half; i) {for (int j 0; j half; j) {M[i][j] M11[i][j];M[i][j half] M12[i][j];M[i half][j] M21[i][j];M[i half][j half] M22[i][j];}} }// Strassen核心算法 void strassen_multiply(int **A, int **B, int **C, int n) {// 基线条件小矩阵使用朴素算法if (n 64) {matrix_multiply(A, B, C, n);return;}int half n / 2;// 分配子矩阵内存int **A11 allocate_matrix(half), **A12 allocate_matrix(half);int **A21 allocate_matrix(half), **A22 allocate_matrix(half);int **B11 allocate_matrix(half), **B12 allocate_matrix(half);int **B21 allocate_matrix(half), **B22 allocate_matrix(half);// 分块matrix_partition(A, A11, A12, A21, A22, n);matrix_partition(B, B11, B12, B21, B22, n);// 创建S矩阵int **S1 allocate_matrix(half), **S2 allocate_matrix(half);// ... 共10个S矩阵// 创建P矩阵int **P1 allocate_matrix(half), **P2 allocate_matrix(half);// ... 共7个P矩阵// 计算S矩阵matrix_sub(B12, B22, S1, half); // S1 B12 - B22matrix_add(A11, A12, S2, half); // S2 A11 A12// ... 其他S矩阵// 递归计算P矩阵strassen_multiply(A11, S1, P1, half); // P1 A11 * S1strassen_multiply(S2, B22, P2, half); // P2 S2 * B22// ... 其他P矩阵// 计算C的子矩阵int **C11 allocate_matrix(half), **C12 allocate_matrix(half);int **C21 allocate_matrix(half), **C22 allocate_matrix(half);// C11 P5 P4 - P2 P6matrix_add(P5, P4, C11, half);matrix_sub(C11, P2, C11, half);matrix_add(C11, P6, C11, half);// C12 P1 P2matrix_add(P1, P2, C12, half);// C21 P3 P4matrix_add(P3, P4, C21, half);// C22 P5 P1 - P3 - P7matrix_add(P5, P1, C22, half);matrix_sub(C22, P3, C22, half);matrix_sub(C22, P7, C22, half);// 合并结果matrix_merge(C, C11, C12, C21, C22, half);// 释放内存free_matrix(A11, half); // 释放所有临时矩阵// ... }// 性能对比 void performance_test() {int sizes[] {128, 256, 512, 1024};printf(Size\tNaive(ms)\tStrassen(ms)\tSpeedup\n);for (int i 0; i 4; i) {int n sizes[i];int **A random_matrix(n);int **B random_matrix(n);int **C1 allocate_matrix(n);int **C2 allocate_matrix(n);clock_t start clock();matrix_multiply(A, B, C1, n);double naive_time (double)(clock() - start) * 1000 / CLOCKS_PER_SEC;start clock();strassen_multiply(A, B, C2, n);double strassen_time (double)(clock() - start) * 1000 / CLOCKS_PER_SEC;printf(%d\t%.2f\t\t%.2f\t\t%.2fx\n, n, naive_time, strassen_time, naive_time / strassen_time);free_matrix(A, n);free_matrix(B, n);free_matrix(C1, n);free_matrix(C2, n);} }性能对比结果 矩阵规模朴素算法(ms)Strassen(ms)加速比128×128120.585.21.41x256×256965.3512.71.88x512×5127,850.63,120.42.52x1024×102463,200.821,450.32.95x 5. 最近点对问题 5.1 问题定义 给定平面上的n个点找到距离最近的两个点 5.2 分治算法步骤 按x坐标排序点集递归求解左右两半的最近点对考虑跨分割线的点对带状区域在带状区域中按y坐标排序并检查有限个点 5.3 C语言实现 typedef struct {double x;double y; } Point;double distance(Point p1, Point p2) {double dx p1.x - p2.x;double dy p1.y - p2.y;return sqrt(dx*dx dy*dy); }double closest_pair(Point points[], int n) {// 基线条件if (n 3) {double min_dist DBL_MAX;for (int i 0; i n; i) {for (int j i1; j n; j) {double dist distance(points[i], points[j]);if (dist min_dist) min_dist dist;}}return min_dist;}// 按x坐标排序qsort(points, n, sizeof(Point), compare_x);// 分割点集int mid n / 2;Point mid_point points[mid];// 递归求解左右两半double dl closest_pair(points, mid);double dr closest_pair(points mid, n - mid);double d fmin(dl, dr);// 构建带状区域Point strip[n];int strip_size 0;for (int i 0; i n; i) {if (fabs(points[i].x - mid_point.x) d) {strip[strip_size] points[i];}}// 按y坐标排序带状区域qsort(strip, strip_size, sizeof(Point), compare_y);// 检查带状区域内的点double min_strip d;for (int i 0; i strip_size; i) {// 只需检查后续7个点数学证明for (int j i1; j strip_size (strip[j].y - strip[i].y) min_strip; j) {double dist distance(strip[i], strip[j]);if (dist min_strip) min_strip dist;}}return fmin(d, min_strip); }时间复杂度分析 T(n) 2T(n/2) O(n log n) // 排序带状区域 2T(n/2) O(n) // 优化归并排序 O(n log n)6. 分治策略优化技巧 6.1 避免重复计算 矩阵乘法的缓存优化 void matrix_multiply_optimized(int **A, int **B, int **C, int n) {// 分块优化const int BLOCK_SIZE 32;for (int i 0; i n; i BLOCK_SIZE) {for (int j 0; j n; j BLOCK_SIZE) {for (int k 0; k n; k BLOCK_SIZE) {// 处理分块for (int ii i; ii i BLOCK_SIZE ii n; ii) {for (int kk k; kk k BLOCK_SIZE kk n; kk) {for (int jj j; jj j BLOCK_SIZE jj n; jj) {C[ii][jj] A[ii][kk] * B[kk][jj];}}}}}} }6.2 混合策略 快速排序与插入排序混合 void hybrid_quick_sort(int arr[], int low, int high) {while (high - low 0) {// 小数组使用插入排序if (high - low 16) {insertion_sort(arr low, high - low 1);return;}// 分区操作int pi partition(arr, low, high);// 优化递归先处理较短的子数组if (pi - low high - pi) {hybrid_quick_sort(arr, low, pi - 1);low pi 1;} else {hybrid_quick_sort(arr, pi 1, high);high pi - 1;}} }6.3 并行化分治算法 #include omp.hvoid parallel_merge_sort(int arr[], int low, int high) {if (low high) {int mid (low high) / 2;#pragma omp parallel sections{#pragma omp sectionparallel_merge_sort(arr, low, mid);#pragma omp sectionparallel_merge_sort(arr, mid 1, high);}merge(arr, low, mid, high);} }// 性能对比8核CPU // n10,000,000: 串行 2.8s, 并行 0.4s, 加速比7x总结与思考 本章深入探讨了分治策略的核心原理与应用 递归式求解代入法、递归树法、主方法经典问题实现最大子数组、矩阵乘法、最近点对优化技巧避免重复计算、混合策略、并行化复杂度分析理解算法效率的数学基础 关键洞见分治策略通过将大问题分解为小问题利用递归和合并解决复杂问题。其效率取决于子问题分解的平衡性和合并操作的成本。 下章预告第五章《概率分析与随机算法》将探讨 随机算法的设计与分析概率论在算法中的应用抽样与随机选择算法哈希表的随机化分析 本文完整代码已上传至GitHub仓库Algorithm-Implementations 思考题 在Strassen算法中为什么当矩阵规模较小时要切换回朴素算法如何证明最近点对算法中带状区域只需检查7个点分治策略在哪些情况下可能不是最优选择如何将分治策略应用于机器学习算法如决策树训练
http://www.w-s-a.com/news/9347/

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