(4)递归式求解的三种方法

1.代入法

步骤如下:

  • 猜测解的形式
  • 用数学归纳法求解中的常数,并证明解是正确的

比如我们求解,递归式T(n) = 2T(n/2)+n,

1.我们猜测解是O(nlgn),我们要寻找到一个常数c,使得T(n)<=cnlgn
2.证明:即T(n) <= 2c(n/2)lg(n/2)+n <= cnlgn-cnlg2+n = cnlgn-cn+n
只要c>=1,T(n)<=cnlgn,所以我们的猜测是正确的。

2.递归树方法

利用递归树方法求算法复杂度,其实是提供了一个好的猜测,简单而直观。在递归树中,每一个结点表示一个单一问题的代价,子问题对应某次递归函数调用。我们将树中每层中的代价求和,得到每层代价,然后将所有层的代价求和,得到所有层次的递归调用总代价。

递归树最适合用来生成好的猜测,然后可用代入法来验证猜测是否正确。当使用递归树来生成好的猜测时,常常要忍受一点儿“不精确”,因为关注的是如何寻找解的一个上界。

根据上式我们建立递归式T(n) = 3T(n / 4) + cn^2,建立下列递归树模型

递归树1.jpg
递归树2.jpg

在递归树中,每一个结点都代表一个子代价,每层的代价是该层所有子代价的总和,总问题的代价就是所有层的代价总和。所以,我们利用递归树求解代价,只要知道每一层的代价和层数即可。

这些,都需要直观的找出规律,以上图为例,当递归调用到叶子T(1)时所用到的递归次数就是整棵递归树的深度。我们从图中可以得到第i层的结点的代价为n/(4i),当n/(4i)=1即i = log4(n)时,递归到达了叶子,故整棵递归树的深度为log4(n)。总代价是所有层代价的总和,T(n)=cn2+3/16*c*n2+···结果为O(n^2)。计算过程详见算法导论。用到了一些几何级数相关的知识略微放大上界。

注意到递归树并非都是这样:每一层的结点都是相同的结构!我们在构造递归树以及计算代价的时候要特别注意。

3.主方法(推荐)

主定理:令a>=1和b>1是常数,f(n)是一个函数,T(n)是定义在非负整数上的递归式:
        T(n) = a * T(n/b) + f(n)
那么T(n)有如下渐近界:
1.若对某个常数ω>0有f(n) = O(nlogba), 则 T(n) = θ(nlogba)
2.若 f(n) = θ(nlogba), 则 T(n) = θ(nlogbalgn)
3.若对某人常数ω>0有 f(n) = Ω(nlogba+ω), 且对某个常数 c<1 和所有足够大的 n,有 af(n/b) <=c f(n), 则 T(n) = θ(f(n))

例子如下

主方法例子.jpg
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