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我正在阅读算法导论并尝试完成书中的练习。
练习 4.1-3
4.1-3 Implement both the brute-force and recursive algorithms for the maximum-subarray problem on your own computer. What problem size n0 gives the crossover point at which the recursive algorithm beats the brute-force algorithm? Then, change the base case of the recursive algorithm to use the brute-force algorithm whenever the problem size is less than n0. Does that change the crossover point?
这两个算法是我按照书上的伪代码写的。但是,我的代码一定有问题,因为第二个代码设计为 Theta(n*lgn) 并且应该运行得更快,但总是比第一个 Theta(n**2) 运行得慢。我的代码如下所示。
def find_maximum_subarray_bf(a): #bf for brute force p1 = 0 l = 0 # l for left r = 0 # r for right max_sum = 0 for p1 in range(len(a)-1): sub_sum = 0 for p2 in range(p1, len(a)): sub_sum += a[p2] if sub_sum > max_sum: max_sum = sub_sum l = p1 r = p2 return l, r, max_sumdef find_maximum_subarray_dc(a): #dc for divide and conquer # subfunction # given an arrary and three indics which can split the array into a[l:m] # and a[m+1:r], find out a subarray a[i:j] where l \leq i \less m \less j \leq r". # according to the definition above, the target subarray must # be combined by two subarray, a[i:m] and a[m+1:j] # Growing Rate: theta(n) def find_crossing_max(a, l, r, m): # left side # ls_r and ls_l indicate the right and left bound of the left subarray. # l_max_sum indicates the max sum of the left subarray # sub_sum indicates the sum of the current computing subarray ls_l = 0 ls_r = m-1 l_max_sum = None sub_sum = 0 for j in range(m+1)[::-1]: # adding elements from right to left sub_sum += a[j] if sub_sum > l_max_sum: l_max_sum = sub_sum ls_l = j # right side # rs_r and rs_l indicate the right and left bound of the left subarray. # r_max_sum indicates the max sum of the left subarray # sub_sum indicates the sum of the current computing subarray rs_l = m+1 rs_r = 0 r_max_sum = None sub_sum = 0 for j in range(m+1,len(a)): sub_sum += a[j] if sub_sum > r_max_sum: r_max_sum = sub_sum rs_r = j #combine return (ls_l, rs_r, l_max_sum+r_max_sum) # subfunction # Growing Rate: should be theta(nlgn), but there is something wrong def recursion(a,l,r): # T(n) if r == l: return (l,r,a[l]) else: m = (l+r)//2 # theta(1) left = recursion(a,l,m) # T(n/2) right = recursion(a,m+1,r) # T(n/2) crossing = find_crossing_max(a,l,r,m) # theta(n) if left[2]>=right[2] and left[2]>=crossing[2]: return left elif right[2]>=left[2] and right[2]>=crossing[2]: return right else: return crossing #back to master function l = 0 r = len(a)-1 return recursion(a,l,r)if __name__ == "__main__": from time import time a = [100,-10,1,2,-1,4,-6,2,5] a *= 2**10 time0 = time() find_maximum_subarray_bf(a) time1 = time() find_maximum_subarray_dc(a) time2 = time() print "function 1:", time1-time0 print "function 2:", time2-time1 print "ratio:", (time1-time0)/(time2-time1)
最佳答案
首先,暴力破解中的一个错误:
for p1 in range(len(a)-1):
应该是range(len(a))
[或xrange
],照原样,它不会找到 [-12,10]
的最大子数组。 .
现在,递归:
def find_crossing_max(a, l, r, m):
# left side
# ls_r and ls_l indicate the right and left bound of the left subarray.
# l_max_sum indicates the max sum of the left subarray
# sub_sum indicates the sum of the current computing subarray
ls_l = 0
ls_r = m-1
l_max_sum = None
sub_sum = 0
for j in range(m+1)[::-1]: # adding elements from right to left
您正在检查所有索引为 0,但您应该只检查索引为 l
.而不是构造 range
列出并反转它,使用 xrange(m,l-1,-1)
sub_sum += a[j]
if sub_sum > l_max_sum:
l_max_sum = sub_sum
ls_l = j
对于右边的总和,模拟成立,你应该只检查索引到 r
, 所以 xrange(m+1,r+1)
.
此外,您的总和的初始值。最大子数组的索引对于左侧部分是可疑的,对于右侧部分是错误的。
对于左侧部分,我们从一个空的总和开始,但必须包括 a[m]
.这可以通过设置 l_max_sum = None
来完成。最初,或通过设置 l_max_sum = a[m]
并让j
省略索引 m
.无论哪种方式,ls_l
的初始值不应该是 0
, 以及 ls_r
它不应该是 m-1
. ls_r
必须是 m
, 和 ls_l
应以 m+1
开头如果初始值为 l_max_sum
是None
, 以及 m
如果l_max_sum
开始为 a[m]
.
对于右边的部分,r_max_sum
必须以 0 开头,并且 rs_r
最好以 m
开头(虽然这不是很重要,但它只会给你错误的索引)。如果右边的和都不是非负数,那么右边的和应该是0
。而不是最大的负和。
在recursion
, 我们有一点重复
left = recursion(a,l,m) # T(n/2)
总和包括a[m]
已经在 find_crossing_max
中接受过治疗或主修, 所以这可能是
left = recursion(a,l,m-1)
但这样一来,人们还必须处理这种可能性 r < l
在recursion
, 并且重复很小,所以我会保留这一点。
因为你总是遍历 find_crossing_max
中的整个列表,这叫做 O(n)
次,您的分而治之实现实际上是 O(n²)
也是。
如果在 find_crossing_max
中检查范围仅限于 [l,r]
,你应该有(大约)2^k
调用长度范围 n/2^k
, 0 <= k <= log_2 n
, 总成本为 O(n*log n)
.
有了这些变化(以及一些随机数组生成),
def find_maximum_subarray_bf(a): #bf for brute force
p1 = 0
l = 0 # l for left
r = 0 # r for right
max_sum = 0
for p1 in xrange(len(a)):
sub_sum = 0
for p2 in xrange(p1, len(a)):
sub_sum += a[p2]
if sub_sum > max_sum:
max_sum = sub_sum
l = p1
r = p2
return l, r, max_sum
def find_maximum_subarray_dc(a): #dc for divide and conquer
# subfunction
# given an arrary and three indices which can split the array into a[l:m]
# and a[m+1:r], find out a subarray a[i:j] where l \leq i \less m \less j \leq r".
# according to the definition above, the target subarray must
# be combined by two subarray, a[i:m] and a[m+1:j]
# Growing Rate: theta(n)
def find_crossing_max(a, l, r, m):
# left side
# ls_r and ls_l indicate the right and left bound of the left subarray.
# l_max_sum indicates the max sum of the left subarray
# sub_sum indicates the sum of the current computing subarray
ls_l = m+1
ls_r = m
l_max_sum = None
sub_sum = 0
for j in xrange(m,l-1,-1): # adding elements from right to left
sub_sum += a[j]
if sub_sum > l_max_sum:
l_max_sum = sub_sum
ls_l = j
# right side
# rs_r and rs_l indicate the right and left bound of the left subarray.
# r_max_sum indicates the max sum of the left subarray
# sub_sum indicates the sum of the current computing subarray
rs_l = m+1
rs_r = m
r_max_sum = 0
sub_sum = 0
for j in range(m+1,r+1):
sub_sum += a[j]
if sub_sum > r_max_sum:
r_max_sum = sub_sum
rs_r = j
#combine
return (ls_l, rs_r, l_max_sum+r_max_sum)
# subfunction
# Growing Rate: theta(nlgn)
def recursion(a,l,r): # T(n)
if r == l:
return (l,r,a[l])
else:
m = (l+r)//2 # theta(1)
left = recursion(a,l,m) # T(n/2)
right = recursion(a,m+1,r) # T(n/2)
crossing = find_crossing_max(a,l,r,m) # theta(r-l+1)
if left[2]>=right[2] and left[2]>=crossing[2]:
return left
elif right[2]>=left[2] and right[2]>=crossing[2]:
return right
else:
return crossing
#back to master function
l = 0
r = len(a)-1
return recursion(a,l,r)
if __name__ == "__main__":
from time import time
from sys import argv
from random import randint
alen = 100
if len(argv) > 1:
alen = int(argv[1])
a = [randint(-100,100) for i in xrange(alen)]
time0 = time()
print find_maximum_subarray_bf(a)
time1 = time()
print find_maximum_subarray_dc(a)
time2 = time()
print "function 1:", time1-time0
print "function 2:", time2-time1
print "ratio:", (time1-time0)/(time2-time1)
我们得到了我们应该期待的东西:
$ python subarrays.py 50
(3, 48, 1131)
(3, 48, 1131)
function 1: 0.000184059143066
function 2: 0.00020382
ratio: 0.902923976608
$ python subarrays.py 100
(29, 61, 429)
(29, 61, 429)
function 1: 0.000745058059692
function 2: 0.000561952590942
ratio: 1.32583792957
$ python subarrays.py 500
(35, 350, 3049)
(35, 350, 3049)
function 1: 0.0115859508514
function 2: 0.00170588493347
ratio: 6.79175401817
$ python subarrays.py 1000
(313, 572, 3585)
(313, 572, 3585)
function 1: 0.0537149906158
function 2: 0.00334000587463
ratio: 16.082304233
$ python osubarrays.py 10000
(901, 2055, 4441)
(901, 2055, 4441)
function 1: 4.20316505432
function 2: 0.0381460189819
ratio: 110.186204655
关于python - Theta(n**2) 和 Theta(n*lgn) 算法执行不当,我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题: https://stackoverflow.com/questions/13789925/
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