习题1
1.
图论诞生于七桥问题。出生于瑞士的伟大数学家欧拉(Leonhard Euler,1707—1783)提出并解决了该问题。七桥问题是这样描述的:北区 一个人是否能在一次步行中穿越哥尼斯堡(现
东区 在叫加里宁格勒,在波罗的海南岸)城中全部岛区 的七座桥后回到起点,且每座桥只经过一次,
南区 图1.7是这条河以及河上的两个岛和七座桥的
图1.7 七桥问题
草图。请将该问题的数据模型抽象出来,并判断此问题是否有解。
七桥问题属于一笔画问题。 输入:一个起点 输出:相同的点 1, 一次步行
2, 经过七座桥,且每次只经历过一次 3, 回到起点
该问题无解:能一笔画的图形只有两类:一类是所有的点都是偶点。另一类是只有二个奇点的图形。
2.在欧几里德提出的欧几里德算法中(即最初的欧几里德算法)用的不是除法而是减法。请用伪代码描述这个版本的欧几里德算法 1.r=m-n
2.循环直到r=0 2.1 m=n 2.2 n=r 2.3 r=m-n 3 输出m
3.设计算法求数组中相差最小的两个元素(称为最接近数)的差。要求分别给出伪代码和C++描述。
//采用分治法
//对数组先进行快速排序 //在依次比较相邻的差 #include
int partions(int b[],int low,int high) {
int prvotkey=b[low]; b[0]=b[low]; while (low while (low b[low]=b[high]; while (low b[high]=b[low]; } b[low]=b[0]; return low; } void qsort(int l[],int low,int high) { int prvotloc; if(low prvotloc=partions(l,low,high); //将第一次排序的结果作为枢轴 qsort(l,low,prvotloc-1); //递归调用排序 由low 到prvotloc-1 qsort(l,prvotloc+1,high); //递归调用排序 由 prvotloc+1到 high } } void quicksort(int l[],int n) { qsort(l,1,n); //第一个作为枢轴 ,从第一个排到第n个 } int main() { int a[11]={0,2,32,43,23,45,36,57,14,27,39}; int value=0;//将最小差的值赋值给value for (int b=1;b<11;b++) cout< quicksort(a,11); for(int i=0;i!=9;++i) { if( (a[i+1]-a[i])<=(a[i+2]-a[i+1]) ) value=a[i+1]-a[i]; else value=a[i+2]-a[i+1]; } cout< return 0; } 4. 设数组a[n]中的元素均不相等,设计算法找出a[n]中一个既不是最大也不是最小的元素,并说明最坏情况下的比较次数。要求分别给出伪代码和C++描述。 #include int main() { int a[]={1,2,3,6,4,9,0}; int mid_value=0;//将“既不是最大也不是最小的元素”的值赋值给它 for(int i=0;i!=4;++i) { if(a[i+1]>a[i]&&a[i+1]a[i+2]) { mid_value=a[i+1]; cout< 5. 编写程序,求n至少为多大时,n个“1”组成的整数能被2013整除。 #include int main() { double value=0; for(int n=1;n<=10000 ;++n) { value=value*10+1; if(value 13==0) { cout<<\至少为:\ break; } }//for return 0; } 6. 计算π值的问题能精确求解吗?编写程序,求解满足给定精度要求的π值 #include int main () { double a,b; double arctan(double x);//声明 a = 16.0*arctan(1/5.0); b = 4.0*arctan(1/239); cout << \ return 0; } double arctan(double x) { int i=0; double r=0,e,f,sqr;//定义四个变量初 sqr = x*x; e = x; while (e/i>1e-15)//定义精度范围 { f = e/i;//f是每次r需要叠加的方程 r = (i%4==1)?r+f:r-f; e = e*sqr;//e每次乘于x的平方 i+=2;//i每次加2 }//while return r; } 7. 圣经上说:神6天创造天地万有,第7日安歇。为什么是6天呢?任何一个自然数的因数中都有1和它本身,所有小于它本身的因数称为这个数的真因数,如果一个自然数的真因数之和等于它本身,这个自然数称为完美数。例如,6=1+2+3,因此6是完美数。神6天创造世界,暗示着该创造是完美的。设计算法,判断给定的自然数是否是完美数 #include int main() { int value, k=1; cin>>value; for (int i = 2;i!=value;++i) { while (value % i == 0 ) { k+=i;//k为该自然数所有因子之和 value = value/ i; } }//for if(k==value) cout<<\该自然数是完美数\ else cout<<\该自然数不是完美数\ return 0; } 8. 有4个人打算过桥,这个桥每次最多只能有两个人同时通过。他们都在桥的某一端,并且是在晚上,过桥需要一只手电筒,而他们只有一只手电筒。这就意味着两个人过桥后必须有一个人将手电筒带回来。每个人走路的速度是不同的:甲过桥要用1分钟,乙过桥要用2分钟,丙过桥要用5分钟,丁过桥要用10分钟,显然,两个人走路的速度等于其中较慢那个人的速度,问题是他们全部过桥最少要用多长时间? 由于甲过桥时间最短,那么每次传递手电的工作应有甲完成 甲每次分别带着乙丙丁过桥 例如: 第一趟:甲,乙过桥且甲回来 第二趟:甲,丙过桥且甲回来 第一趟:甲,丁过桥 一共用时19小时 9.欧几里德游戏:开始的时候,白板上有两个不相等的正整数,两个玩家交替行动,每次行动时,当前玩家都必须在白板上写出任意两个已经出现在板上的数字的差,而且这个数字必须是新的,也就是说,和白板上的任何一个已有的数字都不相同,当一方再也写不出新数字时,他就输了。请问,你是选择先行动还是后行动?为什么? 设最初两个数较大的为a, 较小的为b,两个数的最大公约数为factor。 则最终能出现的数包括: factor, factor*2, factor*3, ..., factor*(a/factor)=a. 一共a/factor个。 如果a/factor 是奇数,就选择先行动;否则就后行动。 习题4 1. 分治法的时间性能与直接计算最小问题的时间、合并子问题解的时间以及子问题的个数有关,试说明这几个参数与分治法时间复杂性之间的关系。 2. 证明:如果分治法的合并可以在线性时间内完成,则当子问题的规模之和小于原问题的规模时,算法的时间复杂性可达到O(n)。 O(N)=2*O(N/2)+x O(N)+x=2*O(N/2)+2*x a*O(N)+x=a*(2*O(N/2)+x)+x=2*a *O(N/2)+(a+1)*x 由此可知,时间复杂度可达到O(n); 3.分治策略一定导致递归吗?如果是,请解释原因。如果不是,给出一个不包含递归的分治例子,并阐述这种分治和包含递归的分治的主要不同。 不一定导致递归。 如非递归的二叉树中序遍历。 这种分治方法与递归的二叉树中序遍历主要区别是:应用了栈这个数据结构。 4. 对于待排序序列(5, 3, 1, 9),分别画出归并排序和快速排序的递归运行轨迹。 归并排序: 第一趟:(5,3)(1,9); 第二趟:(3,5,1,9); 第三趟:(1,3,5,9); 快速排序: 第一趟:5( ,3,1,9);//5为哨兵,比较9和5 第二趟:5(1,3, ,9);//比较1和5,将1挪到相应位置; 第三趟:5(1,3, ,9);//比较3和5; 第四趟:(1,3,5,9); 5. 设计分治算法求一个数组中的最大元素,并分析时间性能。 //简单的分治问题 //将数组均衡的分为“前”,“后”两部分 //分别求出这两部分最大值,然后再比较这两个最大值 #include extern const int n=6;//声明 int main() { int a[n]={0,6,1,2,3,5};//初始化 int mid=n/2; int num_max1=0,num_max2=0; for(int i=0;i<=n/2;++i)//前半部分 { if(a[i]>num_max1) num_max1=a[i]; } for(int j=n/2+1;j cout<<\数组中的最大元素: \ return 0; } 时间复杂度:O(n) 6. 设计分治算法,实现将数组A[n]中所有元素循环左移k个位置, 要求时间复杂性为O(n),空间复杂性为O(1)。例如,对abcdefgh循环左移3位得到defghabc。 //采用分治法 //将数组分为0-k-1和k-n-1两块 //将这两块分别左移 //然后再合并左移 #include void LeftReverse(char *a, int begin, int end) { for(int i=0;i<(end-begin+1)/2;i++)//交换移动 { int temp=a[begin+i]; a[begin+i]=a[end-i]; a[end-i]=temp; } } void Converse(char *a,int n,int k) { LeftReverse(a, 0, k-1); LeftReverse(a, k, n-1); LeftReverse(a, 0, n-1); for(int i=0;i int main() { char a[7]={'a','b','c','d','e','f','g'}; Converse(a,7,3); return 0; } 7. 设计递归算法生成n个元素的所有排列对象。 #include using namespace std; int data[100]; //在m个数中输出n个排列数(n<=m) void DPpl(int num,int m,int n,int depth) { if(depth==n) { for(int i=0;i for(int j=0;j if((num&(1< DPpl(num+(1< int main() { DPpl(0,5,1,0); DPpl(0,5,2,0); DPpl(0,5,3,0); DPpl(0,5,4,0); DPpl(0,5,5,0); return 0; } 8. 设计分治算法求解一维空间上n个点的最近对问题。 参见4.4.1最近对问题的算法分析及算法实现 9. 在有序序列(r1, r2, ?, rn)中,存在序号i(1≤i≤n),使得ri=i。请设计一个分治算法找到这个元素,要求算法在最坏情况下的时间性能为O(log2n)。 //在有序数组中 //采用二分法查找符合条件的元素 #include void Findnum(int *a,int n) { int low=0; int high=n-1; while(low<=high) { int mid=(low+high)/2; if(a[mid]==mid) { cout<<\这个数是: \ break; } else if(a[mid]>mid) high=mid-1; else low=mid+1; } } int main() { int a[7]={1,0,2,5,6,7,9}; Findnum(a,7); return 0; } 时间复杂度为O(log2n)。 10. 在一个序列中出现次数最多的元素称为众数。请设计算法寻找众数并分析算法的时间复杂性。 //先对序列进行快速排序 //再进行一次遍历 //输出众数的重复次数 #include int partions(int b[],int low,int high) { int prvotkey=b[low]; b[0]=b[low]; while (low while (low b[low]=b[high]; while (low b[high]=b[low]; } b[low]=b[0]; return low; } void qsort(int l[],int low,int high) { int prvotloc; if(low prvotloc=partions(l,low,high); //将第一次排序的结果作为枢轴 qsort(l,low,prvotloc-1); //递归调用排序 由low 到prvotloc-1 qsort(l,prvotloc+1,high); //递归调用排序 由 prvotloc+1到 high } } void quicksort(int l[],int n) { qsort(l,1,n); //第一个作为枢轴 ,从第一个排到第n个 } int main() { int a[10]={1,2,3,5,3,3,3,2,5,1}; int i=0; int count=0; int max=0;//max表示出现的次数 qsort(a,0,10); while(i<10) { int j; j=i+1; if(a[i]=a[j]&&i<10) { count++; i++; } if(count>max) { max=count; count=0; } }//while cout<<\重复次数:\ return 0; } 时间复杂度nlog(n) 11. 设M是一个n×n的整数矩阵,其中每一行(从左到右)和每一列(从上到下)的元素都按升序排列。设计分治算法确定一个给定的整数x是否在M中,并分析算法的时间复杂性。 12. 设S是n(n为偶数)个不等的正整数的集合,要求将集合S划分为子集S1和S2,使得| S1|=| S2|=n/2,且两个子集元素之和的差达到最大。 //先用快速排序进行一趟排序 //如果s1(大的数集)的的个数大于n/2 //将(i<=n/2-low-1)个最小的数排到后面 //如果s1(大的数集)的的个数小于n/2 //将s2(小的数集)n/2-low-1排到前面 //将排好的数组的前n/2个数赋值给s1 //将排好的数组的后n/2个数赋值给s2 #include void partions(int a[],int low,int high) { //进行一趟快排 int prvotkey=a[low]; a[0]=a[low]; while (low { while (low a[low]=a[high]; while (low a[high]=a[low]; } a[low]=prvotkey; //如果s1(大的数集)的的个数大于n/2 if(low>=n/2) { for(int i=0;i<=n/2-low-1;++i) { for(int j=0;j //如果s1(大的数集)的的个数小于n/2 else for(int i=0;i<=n/2-low-1;++i) { for(int k=n-1;k int main() { int a[n]={1,3,5,9,6,0,-11,-8}; partions(a,0,n-1); for(int i=0;i if(i<4) { cout<<\属于子集s1的:\ cout< cout<<\属于子集s2的:\ cout< 13. 设a1, a2,?, an是集合{1, 2, ?, n}的一个排列,如果i //用归并进行排序 //当一个子集的一个数大于第二个子集的一个数,为逆序,即a[i]>a[j] //则逆序数为end-j+1; #include int count; void Merge(int a[],int a1[],int begin,int mid,int end)//合并子序列 { int i=begin,j=mid+1,k=end; while(i<=mid&&j<=end) { if(a[i]<=a[j]) a1[k++]=a[i++];//取a[i]和a[j]中较小者放入r1[k] else { a1[k++]=a[j++]; count+=(end-j+1); } } while(i<=mid) a1[k++]=a[i++]; while(j<=end) a1[k++]=a[j++]; } void MergeSort(int a[ ], int begin, int end) { int mid,a1[1000]; if(begin==end) return ; else { mid=(begin+end)/2; MergeSort(a,begin,mid); MergeSort(a,mid+1,end); Merge(a,a1,begin,mid,end); } } int main() { int a[6]={6,5,4,3,2,1}; count=0; MergeSort(a,0,6); cout< 14. 循环赛日程安排问题。设有n=2k个选手要进行网球循环赛,要求设计一个满足以下要求的比赛日程表: (1)每个选手必须与其他n-1个选手各赛一次; (2)每个选手一天只能赛一次。 采用分治方法。 将2^k选手分为2^k-1两组,采用递归方法,继续进行分组,直到只剩下2个选手时,然后进行比赛,回溯就可以指定比赛日程表了 15. 格雷码是一个长度为2n的序列,序列中无相同元素,且每个元素都是长度为n的 二进制位串,相邻元素恰好只有1位不同。例如长度为23的格雷码为(000, 001, 011, 010, 110, 111, 101, 100)。设计分治算法对任意的n值构造相应的格雷码。 //构造格雷码 #include int n; char a[100]; void gelei(int k) { if(k==n) { cout< gelei(k+1); a[k]='0'?'1':'0'; //取反 gelei(k+1); } int main() { while(cin>>n && n != 0) { memset(a,'0',sizeof(a)); //初始化,全部置零 a[n] ='\\0'; gelei(0); cout< return 0; } 16. 矩阵乘法。两个n×n的矩阵X和Y的乘积得到另外一个n×n的矩阵Z,且Zij 满足 (1≤i, j≤n),这个公式给出了运行时间为O(n3)的算法。可以用分 治法解决矩阵乘法问题,将矩阵X和Y都划分成四个n/2×n/2的子块,从而X和Y的乘积可以用这些子块进行表达,即 从而得到分治算法:先递归地计算8个规模为n/2的矩阵乘积AE、BG、AF、BH、CE、DG、 CF、DH,然后再花费O(n2)的时间完成加法运算即可。请设计分治算法实现矩阵乘法,并分析时间性能。能否再改进这个分治算法? 习题5 1. 下面这个折半查找算法正确吗?如果正确,请给出算法的正确性证明,如果不正确,请 说明产生错误的原因。 int BinSearch(int r[ ], int n, int k) { int low = 0, high = n - 1; int mid; while (low <= high) { mid = (low + high) / 2; if (k < r[mid]) high = mid; else if (k > r[mid]) low = mid; else return mid; } return 0; } 错误。 正确算法: int BinSearch1(int r[ ], int n, int k) { int low = 0, high = n - 1; int mid; while (low <= high) { mid = (low + high) / 2; if (k < r[mid]) high = mid - 1; else if (k > r[mid]) low = mid + 1; else return mid; } return 0; } 2. 请写出折半查找的递归算法,并分析时间性能。 //折半查找的递归实现 #include int digui_search(int a[],int low,int high,int x) { if (low > high) return 0; int mid = (low+high)/2; if (a[mid] == x) return mid; else if (a[mid] < x) digui_search(a,low,mid-1,x); else digui_search(a,mid+1,high,x); } int main() { int a[6]={0,1,2,9,5,3}; int result=digui_search(a,0,5,5); cout< 3. 修改折半查找算法使之能够进行范围查找。所谓范围查找是要找出在给定值a和b之间 的所有元素(a≤b) 修改第二题算法并实现: //折半查找算法使之能够进行范围查找 #include //折半进行范围查找函数: void digui_search(int min, int max, int a[], int low, int high) { int mid; mid=(low+high)/2; if(a[mid] digui_search(min, max, a, mid, high); else if(a[mid]>max) digui_search(min, max, a, low, mid); else {