从最大子数组和问题详尽贪心算法策略

问题:给定数组 a[1,2..n] ,求最大子数组和,即找出 1ijn 使得 a[i]+a[i]+..+a[j] 值最大。

有三种方法可以解决上述问题:
第一种 :暴力枚举法,其时间复杂度为 O(n3)
第二种 :优化枚举法,其时间复杂度为 O(n2)
第三种 :贪心方法,其时间复杂度为 O(n)

以上三种方法,暴力枚举是一种万能的算法,但不是对于任何问题都适用,优化枚举是一种较为优化的算法,贪心算法则是本题的最优解。如果一个问题,你给出的算法时间复杂度为 O(n3) O(n2) O(2n) O(n) 我们需要注意两点.
1. 明确数据量的大小.
2. 可能会有更优化的方法.

谈算法不谈时间复杂度等于耍流氓,本题是一道经典的算法题,前两种方法比较好理解。下面我们给出详细思路:

方法一:

暴力枚举法:
    包括三层循环,首先定义一个数组nums,第一层循环从数组头0 遍历每个位置 start 作为子数组起始索引,第二层循环,从 start 处遍历 大于等于 start 的位置 end ,最后一层对于 startend 之间的每个元素,遍历并累加起来得到 Sum[start,end]
示意图如下:
《从最大子数组和问题详尽贪心算法策略》
以下是暴力枚举的代码:

public static int maxSubArray1(int[] nums) {
        int n=nums.length;
        //设定 sum最小值,这里 -2147483647 是int 在java中的最小值
        int sum =-2147483647;    
        //第一层循环,遍历start,也就是子数组的起始索引
        for (int start=0;start<n;start++) {
              //第二层循环,遍历end,也就是子数组结束索引
            for(int end=start;end<n;end++) {
                int ans=0;
                // 得到start,end 以后,将start和end之间的数字加起来
                for (int k=start;k<=end;k++)
                    ans=ans+nums[k];
                if(sum<ans)
                    //得到最大的和
                    sum=ans;
            }  
        }
      return sum;
    }

容易理解,很显然 三层循环 ,时间复杂度为 O(n3) ,附加空间复杂度为 O(1)

方法二:

优化枚举法:
     很显然暴力枚举方法并不是很好的一种算法,时间开销很大,如果最大允许一亿次运算,那么数组大小大于1000,该算法就不适用了。下面我们介绍对暴力枚举方法的一种优化。
     容易知道多层循环中的最内层循环是执行最多的,优化枚举就是对最内层循环进行优化,这是一种去冗余思想,很常用。我们知道:
Sum[start,end+1]=Sum[start,end]+num[end+1]
,所以最内层循环并不需要,只需要上一次计算的结果再加一位 num[end+1] 就可以了
《从最大子数组和问题详尽贪心算法策略》
因此代码可以优化为:

public static int maxSubArray2(int[] nums) {
        int n=nums.length;
        //设定 sum最小值,这里 -2147483647 是int 在java中的最小值
        int sum =-2147483647;    
        //第一层循环,遍历start,也就是子数组的起始索引
        for (int start=0;start<n;start++) {
            int ans=0; //代码变动地方
              //第二层循环,遍历end,也就是子数组结束索引
            for(int end=start;end<n;end++) {
                /* 得到start,end 以后,将start和end之间的数字加起来,这里只需将上一次的结果加上最后一个num[end]即可*/
                ans=ans+nums[end];
                if(sum<ans)
                    //得到最大的和
                    sum=ans;
            }  
        }
      return sum;
    }

可以看出最内层循环被去掉了,因此时间复杂度为 O(n2) ,附加空间复杂度仍然为 O(1)

方法三:

贪心算法:
     虽然本题的时间复杂度已经被降为 O(n2) ,但仍然有最优算法可以解决该问题。可以将本题的时间复杂度降为 O(n) ,首先要转换问题的思考方式:
我们得到的 子数组和使用的是加法,我们可以换一种思路,运用减法方式。

首先定义累加数组 s ,其构造过程时间是一个 O(n) ,只需要遍历一遍一组数组即可得到 :
s[i]=nums[0]+nums[1]+..+nums[i]=s[i1]+nums[i] ,
那么 Sum[start,end]=s[end]s[start]
《从最大子数组和问题详尽贪心算法策略》
下面这个问题可以转换成,固定 s[end] ,只需要找到最小的 s[start] ,我们记作 minSstart ,实际上,对于每一个位置end,应该都对应一个 minSstart ,所以理论上 minSstart 是 类似于 s 一个数组,其构造过程也是一个 O(n) ,类似的,为了便于理解,给出一个数学公式
minSstart[i]=min(minSstart[i1],s[i])
表示取 minSstart[i1],s[i] 中的最小值,因此构造其时间复杂度为 O(n)
一般思想这是一个二重循环,遍历 s 中的 end 位,再遍历 s 中的 start 位,但是大家仔细想一下,这个过程,我们只需要构造出 sminSstart 就可以了,而这个过程计算与优化枚举sum的计算策略一模一样,我们把以上三个公式单独提出来,大家想一下,结合代码,应该可以理解:
– 优化枚举中 sum 的构造: Sum[start,end+1]=Sum[start,end]+num[end+1]
s 的构造: s[i]=nums[0]+nums[1]+..+nums[i]=s[i1]+nums[i]
minSstart[i] 的构造 minSstart[i]=min(minSstart[i1],s[i])
可以看出,这种数学规律是,后一次的计算结果,是在前一次的基础上得出的。

下面给出代码,大家仔细体会,虽然比较难理解,但是比一般算法书上的写法,已经有了较大的改变。

    public static int maxSubArray3(int[] nums) {
        int n = nums.length;
            int sum =-2147483647;
            /* sstart ,send 分别表示累加数组的start位和end位 也相当于sstart 是前一次计算结果,send是后一次计算结果这里代码中潜在的关系是 send=sstart+nums[j] minSstart 表示最小的minSstart */
            int sstart=0;
            int send=0;
            int minSstart=0;
            for ( int end = 0 ; end< n ; end++){
                /*相当于构建累加数组 s 过程s[j]=s[j-1]+nums[j] 好比是后一次结果由前一次结果决定, 与优化枚举 的优化过程类似ans=ans+nums[end];*/
                send = send + nums[end] ;
                //寻找最小sstart 过程,这一步,minSstart[j]=min(minSstart[j-1],s[j])
                if ( sstart < minSstart ){
                    minSstart=sstart;
                }
                // 更新sum
                 if ( sstart+nums[end]- minSstart >sum){
                    sum =send - minSstart;
                 }
                sstart = sstart + nums[end];
             }
             return sum;
    }

可以看出时间复杂度为 O(n) ,附加空间复杂度为 O(1)

好了,这就是贪心算法的真面目,实际上就是去除代码冗余,发现潜在的代码规律!很明显贪心算法是正确的,希望对大家有用。

    原文作者:贪心算法
    原文地址: https://blog.csdn.net/jaymining/article/details/78703983
    本文转自网络文章,转载此文章仅为分享知识,如有侵权,请联系博主进行删除。
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