算法分析与设计模拟试题5(DOC 22页).doc
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1、算法设计与分析复习题参考答案1什么是算法?算法必须满足的五个特性是什么?算法:一组有穷的规则,规定了解决某一特定类型问题的一系列运算。(有限指令的集合,遵循它可以完成一个特定的任务).必须满足的五个特性是(遵循以下五条准则):1 有穷(限)性2 确定性3 可(能)行性4 输入(n0)5 输出(n1)2对算法进行分析分哪两个阶段?各自完成什么任务(分别得到什么结果)?对一个算法要作出全面的分析可分成两个阶段进行,即:事前分析和事后测试。事前分析求出该算法的一个时间界限函数;事后测试搜集此算法的执行时间和实际占用空间的统计资料。3证明:若f1(n)=O(g1(n)并且f2(n)= O(g2(n),
2、那么f1(n) +f2(n)= O(maxg1(n), g2(n)证明:根据f1(n)=O(g1(n)可知,存在正常数C1,当nn0时,使得|f1(n)|C1|g1(n)|;同理,根据f2(n)= O(g2(n)可知,存在正常数C2,当nn0时,使得|f2(n)|C2|g2(n)| 当nn0时,|f1(n)+f2(n)|f1(n)|+|f2(n)|C1|g1(n)|+C2|g2(n)| C1|gk(n)|+C2|gk(n)|(C1+C2)|gk(n)|, 其中gk(n)=maxg1(n),g2(n),k=1,2当nn0时,取C=(C1+C2),据定义命题得证。4如果f1(n)= (g1(n)并
3、且f2(n)= (g2(n),下列说法是否正确?试说明之。(a) f1(n) +f2(n)= (g1(n)+ g2(n)(b) f1(n) +f2(n)= (ming1(n), g2(n)(c) f1(n) +f2(n)= (maxg1(n), g2(n)答:(a)和(c)均正确,(b)错误。(a)正确可以根据定义直接证得。(b)错误可举反例。例:f1(n)= 2n,f2(n)=2 n2下面证明(c)正确性.根据上题已经证明f1(n)+f2(n)= O(maxg1(n),g2(n),下面只需证明f1(n)+f2(n)= (maxg1(n), g2(n),即存在正常数C,使得|f1(n)+f2(
4、n)|C(maxg1(n), g2(n) 根据f1(n)= (g1(n)并且f2(n)= (g2(n) 得到,当nn0时,存在正常数C1、C2 、C3、C4C1|g1(n)|f1(n)|C3|g1(n)| C2|g2(n)|f2(n)|C4|g2(n)|不妨设maxg1(n), g2(n)= g1(n)由于|f1(n)+f2(n)|f1(n)|-|f2(n)|C1|g1(n)|-C3|g2(n)|=C|maxg1(n), g2(n)|取C|C1-C3|的正常数,由定义得f1(n)+f2(n) = (maxg1(n), g2(n)命题得证。5证明 |log2n|= O(n)证明:对于任意的正整数
5、n,|log2n|log2(n+1)|n+1|2|n|取n0=1,C=2,根据定义知命题成立。6证明 3nlog2n= O(n2)证明:对于任意的正整数n,|3nlog2n|3nlog2n|3|n2|取n0=1,C=3,根据定义知命题成立。7用数学归纳法证明:当n1时,.证明:当n=1时,n(n+1)/2=1,命题成立; 假设n=k-1时,成立;(k2) 当n=k时,=k(k+1)/2综上可知,命题成立。8在下列情况下求解递归关系式 T(n)= 当n=2k g(n)= O(1)和f(n)= O(n); n=2k g(n)= O(1)和f(n)= O(1)。解: T(n)=T(2k)=2 T(2
6、k-1)+f(2k)=2(2 T(2k-2)+f(2k-1) +f(2k) =22T(2k-2)+21 f(2k-1)+ f(2k) = =2kT(1)+2k-1f(2)+2k-2f(22)+20f(2k) =2kg(n)+ 2k-1f(2)+2k-2f(22)+20f(2k) 当g(n)= O(1)和f(n)= O(n)时,不妨设g(n)=a,f(n)=bn,a,b为正常数。则 T(n)=T(2k)= 2ka+ 2k-1*2b+2k-2*22b+20*2kb =2ka+kb2k =an+bnlog2n= O(nlog2n) 当g(n)= O(1)和f(n)= O(1)时,不妨设g(n)=c,
7、f(n)=d,c,d为正常数。则 T(n)=T(2k)=c2k+ 2k-1d+2k-2d+20d=c2k+d(2k-1)=(c+d)n-d= O(n)9求解递推关系式: 解:构造生成函数求解 分解成幂级数令 则A=-1 B=1 所以10求解递推关系式:解:11求解递推关系式: 解:以为系数,构成生成函数 其中 12分治法的三个步骤是什么?给出使用SPARKS语言描述的分治策略抽象化控制。答:分治法的三个步骤是: 分解 解决 合并用SPARKS语言描述的分治策略抽象化控制为:Procedure DANDC(p,q)Global n,A(1:n);integer m,p,q;If SMALL(p,
8、q)Then return(G(p,q)Else mDIVIDE(p,q)Return(COMBINE(DANDC(p,m), DANDC(m+1,q) Endif End DANDC13根据教材中所给出的二分检索策略,写一个二分检索的递归过程。Procedure BINSRCH(A, low, high, x, j)integer midif lowhigh then mid if x=A(mid) then jmid; endifif xA(mid) then BINSRCH(A, mid+1, high, x, j); endifif xA(mid) then BINSRCH(A, lo
9、w, mid-1, x, j); endifelse j0; endifend BINSRCH14作一个“三分”检索算法。它首先检查n/3处的元素是否等于某个x的值,然后检查2n/3处的元素;这样,或者找到x,或者把集合缩小到原来的1/3。分析此算法在各种情况下的计算复杂度。 Procedure ThriSearch(A, x, n, j)integer low, high, p1, p2low1; highnwhile lowhigh do p1 ; p2 case :x=A(p1): jp1; return :x=A(p2): jp2; return :xA(p2): lowp2+1:el
10、se: lowp1+1; highp2-1 end caserepeatj0end ThriSearchT(n)= g(n)= O(1) f(n)= O(1)成功:O(1),O(log3(n),O(log3(n)最好,平均, 最坏失败: O(log3(n),O(log3(n),O(log3(n)最好,平均, 最坏15对于含有n个内部结点的二元树,证明E=I+2n,其中,E,I分别为外部和内部路径长度。证明:数学归纳法当n=1时,易知E=2,I=0,所以E=I+2n成立;假设nk(k0)时,E=I+2n成立;则当n=k+1时,不妨假定找到某个内结点x为叶结点(根据二元扩展树的定义,一定存在这样的
11、结点x,且设该结点的层数为h),将结点x及其左右子结点(外结点)从原树中摘除,生成新二元扩展树。此时新二元扩展树内部结点为k个,则满足Ek=Ik+2k,考察原树的外部路径长度为Ek+1= Ek-(h-1)+2h,内部路径长度为Ik+1=Ik+(h-1),所以Ek+1= Ik+2k+h+1= Ik+1+2k+2= Ik+1+2(k+1),综合知命题成立。16以比较为基础(基本操作)的分类算法最坏情况的时间下界是什么?答: 17对线性存储的有序表中元素的以比较为基础的检索算法最坏时间的下界是什么?简要说明理由。答: 对线性存储的有序表中元素的以比较为基础的检索算法的执行过程都可以用二元判定树来描述
12、。该树的每个内结点表示一次元素比较,因此对检索的最坏情况而言,该树最少含有n个不同的内结点。检索算法最坏时间不大于该树中由根到一个叶子的最长路径长(树高)。对有n个结点的二元树其最小树高为,所以对线性存储的有序表中元素的以比较为基础的检索算法最坏时间的下界是。18简要说明选择问题算法中二次取中值规则的作用。答:通过选择划分元素V使其尽量靠近元素集合的中间可以得到一个最坏情况时间复杂度是O(n)的选择算法。使用二次取中值规则可以选出满足要求的划分元素V。19给出斯特拉森矩阵乘法算法执行时间的递归关系式,并对其求解计算时间复杂度。答:斯特拉森矩阵乘法算法执行时间的递归关系式为: T(n)= 其中a
13、和b是常数。求解这个递归式,得20通过手算证明(4.9)和(4.10)式确实能得到C11,C12,C21和C22的正确值。P=(A11+A22)(B11+B22) T=(A11+A12)B22Q=(A21+A22)B11 U=(A21-A11)(B11+B12)R=A11(B12-B22) V=(A12-A22)(B21+B22)S=A22(B21-B11)C11=P+S-T+V=(A11+A22)(B11+B22) +A22(B21-B11) -(A11+A12)B22 +(A12-A22)(B21+B22)=A11B11+A22B11+A11B22+A22B22+A22B21-A22B11
14、-A11B22-A12B22+A12B21+A12B22-A22B21-A22B22=A11B11 +A12B21C12=R+T= A11B12-A11B22 +A11B22+A12B22= A11B12 +A12B22C21=Q+S= A21B11+A22B11 +A22B21-A22B11= A21B11 +A22B21C22=P+R-Q+U=(A11+A22)(B11+B22)+A11(B12+B22)-(A21+A22)B11 +(A21-A11)(B11+B12)=A11B11+A22B11+A11B22+A22B22+A11B12-A11B22-A21B11-A22B11+A21B
15、11+A21B12-A11B11-A11B12=A22B22+A21B1221过程MERGESORT的最坏情况时间是O(nlogn),它的最好情况时间是什么?能说归并分类的时间是(nlogn)吗?最好情况:是对有序文件进行排序。分析:在此情况下归并的次数不会发生变化-log(n)次归并中比较的次数会发生变化(两个长n/2序列归并)最坏情况两个序列交错大小,需要比较n-1次最好情况一个序列完全大于/小于另一个序列,比较n/2次差异都是线性的,不改变复杂性的阶因此最好情况也是nlogn, 平均复杂度nlogn。可以说归并分类的时间是(nlogn)22写一个“由底向上”的归并分类算法,从而取消对栈空
16、间的利用。答:见数据结构算法MPass(R,n,1engthX) MP1 初始化 i1 MP2 合并相邻的两个长度为length的子文件 WHILE i n 2*length + 1 DO (Merge(R,i,ilengthl,i2*length1X). ii2*length ) MP3 处理余留的长度小于2*length的子文件 IF i+length1 n THEN Merge(R,i,i+length1,n. X) ELSE FOR j = i TO n DO XjRj 算法MSort(R,n) / 直接两路合并排序算法,X是辅助文件,其记录结构与R相同MS1 初始化 length1
17、MS2 交替合并 WHILE length n then FOR j = 1 TO n DO RjXj else MPass(X,n,lengthR). length2*length)endif)23什么是约束条件?什么是可行解?什么是目标函数?什么是最优解?并举例说明。答:有一类问题,解由输入的某个子集组成,但是这个子集必须满足某些事先给定的条件。那些必须满足的条件称为约束条件。满足约束条件的子集称为可行解。为了衡量可行解的优劣,事先也给出一定的标准,这些标准一般以函数形式给出,称为目标函数。使目标函数取极值的可行解称为最优解。26什么是贪心方法? 给出使用SPARKS语言描述的贪心方法的抽
18、象化控制。答:对求取最优解问题,选取一种度量标准,将输入按度量标准排序,并按此序一次输入一个量。如果这个输入和前面输入产生的在这种度量意义下的部分最优解加在一起产生一个可行解,将其加入形成新的在这种度量意义下的部分最优解;若不能构成一个可行解,则去掉该输入;重复此过程直到将输入枚举完成。这种能够得到某种度量意义下的最优解的分级处理方法称为贪心方法。贪心方法的SPARKS语言描述的抽象化控制为:Procedure GREEDY(A,n) soltion for i1 to n do xSELECT(A) if FEASIBLE(soltion,x) then soltionUNION(solti
19、on,x) endif repeat return(soltion) end GREEDY24 求以下情况背包问题的最优解,n=7,m=15,=(10,5,15,7,6,18,3)和=(2,3,5,7,1,4,1)。 将以上数据情况的背包问题记为I。设FG(I)是物品按的非增次序输入时由GREEDY-KNAPSACK所生成的解,FO(I)是一个最优解。问FO(I)/ FG(I)是多少? 当物品按的非降次序输入时,重复的讨论。解: 按照/的非增序可得(/,/,/,/,/,/,/)= (6,5,9/2,3,3,5/3,1) W的次序为(1,2,4,5,1,3,7),解为(1,1,1,1,1,2/3
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