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求子數(shù)組最大和的解決方法詳解

 更新時(shí)間:2013年05月23日 17:43:07   作者:  
本篇文章是對(duì)求子數(shù)組最大和的解決方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析介紹,需要的朋友參考下
題目:輸入一個(gè)整形數(shù)組,數(shù)組里有正數(shù)也有負(fù)數(shù)。數(shù)組中連續(xù)的一個(gè)或多個(gè)整數(shù)組成一個(gè)子數(shù)組,每個(gè)子數(shù)組都有一個(gè)和。求所有子數(shù)組的和的最大值。要求時(shí)間復(fù)雜度為O(n)。
例如輸入的數(shù)組為1, -2, 3, 10, -4, 7, 2, -5,和最大的子數(shù)組為3, 10, -4, 7, 2,因此輸出為該子數(shù)組的和18。
如果不考慮時(shí)間復(fù)雜度,我們可以枚舉出所有子數(shù)組并求出他們的和。不過非常遺憾的是,由于長度為n的數(shù)組有O(n2)個(gè)子數(shù)組;而且求一個(gè)長度為n的數(shù)組的和的時(shí)間復(fù)雜度為O(n)。因此這種思路的時(shí)間是O(n3)。
很容易理解,當(dāng)我們加上一個(gè)正數(shù)時(shí),和會(huì)增加;當(dāng)我們加上一個(gè)負(fù)數(shù)時(shí),和會(huì)減少。如果當(dāng)前得到的和是個(gè)負(fù)數(shù),那么這個(gè)和在接下來的累加中應(yīng)該拋棄并重新清零,不然的話這個(gè)負(fù)數(shù)將會(huì)減少接下來的和?;谶@樣的思路,我們可以寫出如下代碼:
復(fù)制代碼 代碼如下:

/*
// Find the greatest sum of all sub-arrays
// Return value: if the input is valid, return true, otherwise return false
int *pData,              // an array
unsigned int nLength,    // the length of array
int &nGreatestSum        // the greatest sum of all sub-arrays
*/
int start,end;
bool FindGreatestSumOfSubArray(int *pData, unsigned int nLength, int &nGreatestSum)
{
 // if the input is invalid, return false
 if((pData == NULL) || (nLength == 0))
  return false;
 int k=0;
 int nCurSum = nGreatestSum = 0;
 for(unsigned int i = 0; i < nLength; ++i)
 {
  nCurSum += pData[i];
  // if the current sum is negative, discard it
  if(nCurSum < 0)
  {
   nCurSum = 0;
   k = i+1;
  }
  // if a greater sum is found, update the greatest sum
  if(nCurSum > nGreatestSum)
  {
   nGreatestSum = nCurSum;
   start = k;
   end = i;
  }
 }
 // if all data are negative, find the greatest element in the array
 if(nGreatestSum == 0)
 {
  nGreatestSum = pData[0];
  for(unsigned int i = 1; i < nLength; ++i)
  {
   if(pData[i] > nGreatestSum)
   {
    nGreatestSum = pData[i];
    start = end = i;
   }
  }
 }
 return true;
}

討論:上述代碼中有兩點(diǎn)值得和大家討論一下:
• 函數(shù)的返回值不是子數(shù)組和的最大值,而是一個(gè)判斷輸入是否有效的標(biāo)志。如果函數(shù)返回值的是子數(shù)組和的最大值,那么當(dāng)輸入一個(gè)空指針是應(yīng)該返回什么呢?返回0?那這個(gè)函數(shù)的用戶怎么區(qū)分輸入無效和子數(shù)組和的最大值剛好是0這兩中情況呢?基于這個(gè)考慮,本人認(rèn)為把子數(shù)組和的最大值以引用的方式放到參數(shù)列表中,同時(shí)讓函數(shù)返回一個(gè)函數(shù)是否正常執(zhí)行的標(biāo)志。
• 輸入有一類特殊情況需要特殊處理。當(dāng)輸入數(shù)組中所有整數(shù)都是負(fù)數(shù)時(shí),子數(shù)組和的最大值就是數(shù)組中的最大元素。
方法二:編程之美2.14
復(fù)制代碼 代碼如下:

/** &nbsp;
求最大子數(shù)組和(編程之美2.14,返回下標(biāo)及首尾不相連)
** author :liuzhiwei&nbsp; &nbsp;
** date&nbsp;&nbsp; :2011-08-17
起始點(diǎn)與結(jié)束點(diǎn)下標(biāo)如何來記錄:
由于我要求起始點(diǎn)下標(biāo)、結(jié)束點(diǎn)下標(biāo)都靠前的子數(shù)組,所以我們?cè)趧?dòng)態(tài)規(guī)劃的時(shí)候最好從后向前遞推,這樣dp[i]表示的值就是以下標(biāo)i為開始的最大子數(shù)組的值,那么當(dāng)dp[i]與dp[j]相同時(shí)我們選取i,j中較小的下標(biāo)作為起點(diǎn)
**/
int maxSum(int *arr, int n, int & start, int & end) &nbsp;
{
&nbsp;&nbsp;&nbsp; int i , temp , dp , max ;
&nbsp;&nbsp; &nbsp;dp = max = arr[n-1];
&nbsp;&nbsp;&nbsp; start = end = n-1;
&nbsp;&nbsp; &nbsp;temp = n-1;
&nbsp;&nbsp;&nbsp; for(i = n - 2 ; i >= 0 ; --i)
&nbsp;&nbsp;&nbsp; {
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; if(dp > 0)
&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;dp += arr[i];
&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;else
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; {
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; dp = arr[i];&nbsp;&nbsp;&nbsp; //拋棄當(dāng)前子序列
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; temp = i;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; //開始新的子序列搜索
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; }
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; if(dp > max)&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; //更新最大子序列
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; {
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; max = dp;
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; end = temp;
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; start = i;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; //最大和增加,此時(shí)的i一定是最右端
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; }
&nbsp;&nbsp;&nbsp; }
&nbsp;&nbsp;&nbsp; return max;
}
//特殊測試用例 -10 -1 -4

另外一種從前往后遍歷的方法如下:
復(fù)制代碼 代碼如下:

// 需要保存起始點(diǎn)與結(jié)束點(diǎn)下標(biāo)的時(shí)候,從前往后遍歷也是可以的
int MaxSum(int *a , int n)
{
&nbsp;&nbsp; &nbsp;int tempstart = 0 , sum=0 , max = -1000;
&nbsp;&nbsp; &nbsp;int i , start , end;
&nbsp;&nbsp; &nbsp;start = end = 0;
&nbsp;&nbsp; &nbsp;for(i = 0 ; i < n ; ++i)
&nbsp;&nbsp; &nbsp;{
&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;if(sum < 0)
&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;{
&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;sum = a[i];
&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;tempstart = i;
&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;}
&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;else
&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;sum += a[i];
&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;if(sum > max)
&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;{
&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;max = sum;
&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;start = tempstart;
&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;end = i;
&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;}
&nbsp;&nbsp; &nbsp;}
&nbsp;&nbsp; &nbsp;return max;
}

拓展問題1:
如果認(rèn)為數(shù)組是環(huán)形的,即首尾相接(下標(biāo)n-1的元素后面的元素下標(biāo)為0),求最大子段和。
解析:
我覺得這個(gè)問題要比第一個(gè)問題容易,有很多種方法解決。我介紹三種方法,但是其中一種我覺得有問題,但卻作為《編程之美》這本書的一道練習(xí)答案,也可能是我理解錯(cuò)作者的算法了,一會(huì)慢慢討論。
方法一:
這個(gè)問題的最優(yōu)解一定是以下兩種可能??赡芤唬鹤顑?yōu)解沒有跨過a[n-1]到a[0],即原問題,非環(huán)形數(shù)組??赡芏鹤顑?yōu)解跨過a[n-1]到a[0],新問題。
對(duì)于第一種情況,我們可以按照簡單的動(dòng)態(tài)規(guī)劃解法求得,設(shè)為max1;對(duì)于第二種情況,可以將原問題轉(zhuǎn)化為數(shù)組的最小子段和問題,再用數(shù)組全部元素的和減去最小子段和,那么結(jié)果一定是跨過a[n-1]到a[0]情況中最大的子段和,設(shè)為max2。最終結(jié)果即為max1與max2中較大的那個(gè)。
例1:有數(shù)組6、-1、-6、8、2
求得max1=10,max2=16,則取較大的max2作為結(jié)果。
例2:有數(shù)組-6、8、2、6、-1
求得max1=16,max2=15,則取較大的max1作為結(jié)果。
可能有些同學(xué)會(huì)對(duì)為什么:數(shù)組元素“sum - 最小子段和 = 跨過a[n-1]到a[0]情況中的最大子段和”這一點(diǎn)有些疑問。我們可以這樣理解:n個(gè)數(shù)的和是一定的,那么如果我們?cè)谶@n個(gè)數(shù)中找到連續(xù)的一段數(shù),并且這段數(shù)是所有連續(xù)的數(shù)的和最小的,那么“sum-最小子段和”的結(jié)果一定最大。故求得:跨過a[n-1]到a[0]情況中的最大子段和。
完整代碼如下:
復(fù)制代碼 代碼如下:

//環(huán)形數(shù)組求最大子數(shù)組的和
int MaxSum(int *a , int n)
{
 int i , sum , max1 , max2 , dp, min;
 dp = max1 = a[0];
 for(i = 1 ; i < n ; ++i)   //最優(yōu)解沒有跨過a[n-1]到a[0],即原問題,非環(huán)形數(shù)組
 {
  if(dp < 0)
   dp = a[i];
  else
   dp += a[i];
  if(dp > max1)
   max1 = dp;
 }
 sum = min = dp = a[0];
 for(i = 1 ; i < n ; ++i)   //可以將原問題轉(zhuǎn)化為數(shù)組的最小子段和問題,再用數(shù)組全部元素的和減去最小子段和,那么結(jié)果一定是跨過a[n-1]到a[0]情況中最大的子段和
 {
  if(dp > 0)
   dp = a[i];
  else
   dp += a[i];
  if(dp < min)
   min = dp;
  sum += a[i];
 }
 max2 = sum - min;    //數(shù)組全部元素的和減去最小子段和
 return max1 > max2 ? max1 : max2;;     //返回一個(gè)較大值
}

第一部分即求第一種情況的最大值max1(用變量Max代替),第二部分中最初tmp為最小子段和,然后tmp值為sum-tmp;最后Max取兩者較大的數(shù)。
方法二:
方法二將問題轉(zhuǎn)化成另外一個(gè)問題:既然一段數(shù)的首尾可以相接,那么我們可以將數(shù)組復(fù)制,并接到自己的后面,然后我們求新數(shù)組的最大子數(shù)組的和,但這里要限制一個(gè)條件,就是最大子數(shù)組的長度不可以超過n。這樣我們就把問題轉(zhuǎn)化為拓展問題3了,我會(huì)在第三部分中介紹。
方法三:
方法三是《編程之美》這本書中介紹的,詳細(xì)見188頁,但是我覺得這種算法是錯(cuò)誤的,可能是我理解作者的思路有問題,我將解法抄在下面,并舉出一個(gè)反例,有興趣討論的同學(xué)希望能給我留言。
摘自《編程之美》P188:
如果數(shù)組(A[0],A[1],A[2],......,A[n-1])首尾相鄰,也就是我們?cè)试S找到一段數(shù)字(A[i],A[i+1],......A[n-1],A[0],A[1],....,A[j]),使其和最大,怎么辦?
(1)解沒有跨過A[n-1] 到A[0] (原問題)。
(2)解跨過A[n-1]到A[0]。
對(duì)于第2種情況,只要找到從A[0]開始和最大的一段(A[0],…,A[j])(0<=j<n),以及以A[n-1]結(jié)尾的和最大的一段(A[i],…,A[n-1])(0<=i<n),那么,第2種情況中,和的最大值M_2為:
M_2=A[i]+…+A[n-1]+A[0]+…+A[j]
如果i <= j,則
M_2=A[0]+…+A[n-1]
否則
M_2=A[0]+…+A[j]+A[i]+…+A[n-1]
最后,再取兩種情況的最大值就可以了,求解跨過A[n-1]到A[0]的情況只需要遍歷數(shù)組一次,故總時(shí)間復(fù)雜度為O(N)+O(N)=O(N)。
解析:
分為兩種情況討論是沒有問題的,但是對(duì)于第2種情況的解法我認(rèn)為是錯(cuò)誤的,反例:
求5個(gè)元素的數(shù)組6,-1,-6,8,2的最大子數(shù)組和:M_1為10,但是如果利用上面的方法,M_2求得的結(jié)果為9,因?yàn)閺腁[0]開始和最大的一段即為A[0],…,A[n-1]為9,以A[n-1]結(jié)尾的和最大的一段(A[i],…,A[n-1])為A[n-1],由于這兩段有相交,故M_2= A[0]+…+A[n-1]。
最終結(jié)果為9,取兩種情況較大的,那么結(jié)果為10。但是正確結(jié)果明顯為16。
出現(xiàn)這種結(jié)果的原因:從A[0]開始和最大的一段雖然求的沒有錯(cuò),但是我們希望求得的結(jié)果并非是這一段,我們希望求得A[0]這一段,這樣就不會(huì)出現(xiàn)兩段相交的情況。
在第二部分中,我分析了兩個(gè)拓展問題,后面兩個(gè)拓展問題我會(huì)在第三部分中分析。
如果我上面有寫的不對(duì)的地方或者你有更好的方法,希望能提出來,互相學(xué)習(xí)嘛。
拓展問題2:
有一個(gè)整數(shù)數(shù)列,其中有負(fù)數(shù)、正數(shù), 其中連續(xù)的幾個(gè)數(shù)求和,求和的絕對(duì)值最大的數(shù)字串。
分析
思路
最大子矩陣和
復(fù)制代碼 代碼如下:

#include <iostream>
#include <cstdio>
using namespace std;
#include <memory.h>
int a[102][102];
int maxSubArray(int *arr, int len)       //最大子序列和
{
 int i,sum=arr[0],b=0;
 for(i=0;i<len;++i)
 {
  if(b>0)
   b+=arr[i];
  else
   b=arr[i];
  if(b>sum)
   sum=b;
 }
 return sum;
}
int maxSubMatrix(int n, int m,int array[102][102])
{
 int i,j,h,max,sum=-100000;
 int b[102];
 for(i=0;i<n;i++)
 {
  memset(b,0,sizeof(b));       //初始化b[]
  for(j=i;j<n;j++)             //把第i行到第j行相加,對(duì)每一次相加求出最大值
  {
   for(h=0;h<m;h++)
   {
    b[h]+=array[j][h];    //二維數(shù)組壓縮成一維數(shù)組,然后求最大子序列和
   }
   max=maxSubArray(b,h);
   if(max>sum)
    sum=max;
  }
 }
 return sum;
}
int main(void)
{
 int n,i,j;
 while(scanf("%d",&n)!=EOF)
 {

  for(i=0;i<n;i++)
  {
   for(j=0;j<n;j++)
    scanf("%d",&a[i][j]);
  }
  printf("%d\n",maxSubMatrix(n,n,a));
 }
 return 0;
}

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