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全国青少年信息学奥林匹克联赛

算法讲义

算法基础篇 1

算法具有五个特征:

2

信息学奥赛中的基本算法(枚举法) 4

采用枚举算法解题的基本思路:

4

枚举算法应用 4

信息学奥赛中的基本算法(回溯法) 7

回溯基本思想 7

信息学奥赛中的基本算法(递归算法) 10

递归算法的定义:

10

递归算法应用 10

算法在信息学奥赛中的应用(递推法) 13

递推法应用 14

算法在信息学奥赛中的应用(分治法) 17

分治法应用 18

信息学奥赛中的基本算法(贪心法) 20

贪心法应用 21

算法在信息学奥赛中的应用(搜索法一) 24

搜索算法应用 24

算法在信息学奥赛中的应用(搜索法二) 28

广度优先算法应用 29

算法在信息学奥赛中的应用(动态规划法) 32

动态规划算法应用 33

算法基础篇

学习过程序设计的人对算法这个词并不陌生,从广义上讲,算法是指为解决一个问题而采用的方法和步骤;从程序计设的角度上讲,算法是指利用程序设计语言的各种语句,为解决特定的问题而构成的各种逻辑组合。

我们在编写程序的过程就是在实施某种算法,因此程序设计的实质就是用计算机语言构造解决问题的算法。

算法是程序设计的灵魂,一个好的程序必须有一个好的算法,一个没有有效算法的程序就像一个没有灵魂的躯体。

算法具有五个特征:

1、有穷性:

一个算法应包括有限的运算步骤,执行了有穷的操作后将终止运算,不能是个死循环;

2、确切性:

算法的每一步骤必须有确切的定义,读者理解时不会产生二义性。

并且,在任何条件下,算法只有唯一的一条执行路径,对于相同的输入只能得出相同的输出。

如在算法中不允许有“计算8/0”或“将7或8与x相加”之类的运算,因为前者的计算结果是什么不清楚,而后者对于两种可能的运算应做哪一种也不知道。

3、输入:

一个算法有0个或多个输入,以描述运算对象的初始情况,所谓0个输入是指算法本身定义了初始条件。

如在5个数中找出最小的数,则有5个输入。

4、输出:

一个算法有一个或多个输出,以反映对输入数据加工后的结果,这是算法设计的目的。

它们是同输入有着某种特定关系的量。

如上述在5个数中找出最小的数,它的出输出为最小的数。

如果一个程序没有输出,这个程序就毫无意义了;

5、可行性:

算法中每一步运算应该是可行的。

算法原则上能够精确地运行,而且人能用笔和纸做有限次运算后即可完成。

如何来评价一个算法的好坏呢?

主要是从两个方面:

一是看算法运行所占用的时间;我们用时间复杂度来衡量,例如:

在以下3个程序中,

(1)x:

=x+1

(2)fori:

=1tondo

x:

=x+1

(3)fori:

=1tondo

forj:

=1tondo

x:

=x+1

含基本操作“x增1”的语句x:

=x+1的出现的次数分别为1,n和n2则这三个程序段的时间复杂度分别为O

(1),O(n),O(n2),分别称为常量阶、线性阶和平方阶。

在算法时间复杂度的表示中,还有可能出现的有:

对数阶O(logn),指数阶O(2n)等。

在n很大时,不同数量级的时间复杂度有:

O

(1)

二是看算法运行时所占用的空间,既空间复杂度。

由于当今计算机硬件技术发展很快,程序所能支配的自由空间一般比较充分,所以空间复杂度就不如时间复杂度那么重要了,有许多问题人们主要是研究其算法的时间复杂度,而很少讨论它的空间耗费。

时间复杂性和空间复杂性在一定条件下是可以相互转化的。

在中学生信息学奥赛中,对程序的运行时间作出了严格的限制,如果运行时间超出了限定就会判错,因此在设计算法时首先要考虑的是时间因素,必要时可以以牺牲空间来换取时间,动态规划法就是一种以牺牲空间换取时间的有效算法。

对于空间因素,视题目的要求而定,一般可以不作太多的考虑。

我们通过一个简单的数值计算问题,来比较两个不同算法的效率(在这里只比较时间复杂度)。

例:

求N!

所产生的数后面有多少个0(中间的0不计)。

算法一:

从1乘到n,每乘一个数判断一次,若后面有0则去掉后面的0,并记下0的个数。

为了不超出数的表示范围,去掉与生成0无关的数,只保留有效位数,当乘完n次后就得到0的个数。

(pascal程序如下)

var i,t,n,sum:

longint;

begin

 t:

=0;sum:

=1;

readln(n);

 fori:

=1tondo

 begin

 sum:

=sum*i;

 whilesummod10=0do

 begin

 sum:

=sumdiv10;

 inc(t);{计数器增加1}

 end;

 sum:

=summod1000;{舍去与生成0无关的数}

 end;

 writeln(t:

6);

end.

算法二:

此题中生成O的个数只与含5的个数有关,n!

的分解数中含5的个数就等于末尾O的个数,因此问题转化为直接求n!

的分解数中含5的个数。

vart,n:

integer;

begin

 readln(n);

 t:

=0;

 repeat

 n:

=ndiv5;

 inc(t,n);{计数器增加n}

 untiln<5;

 writeln(t:

6);

end.

分析对比两种算法就不难看出,它们的时间复杂度分别为O(N)、O(logN),算法二的执行时间远远小于算法一的执行时间。

在信息学奥赛中,其主要任务就是设计一个有效的算法,去求解所给出的问题。

如果仅仅学会一种程序设计语言,而没学过算法的选手在比赛中是不会取得好的成绩的,选手水平的高低在于能否设计出好的算法。

下面,我们根据全国分区联赛大纲的要求,一起来探讨信息学奥赛中的基本算法。

信息学奥赛中的基本算法(枚举法)

枚举法,常常称之为穷举法,是指从可能的集合中一一枚举各个元素,用题目给定的约束条件判定哪些是无用的,哪些是有用的。

能使命题成立者,即为问题的解。

采用枚举算法解题的基本思路:

(1)确定枚举对象、枚举范围和判定条件;

(2)一一枚举可能的解,验证是否是问题的解

下面我们就从枚举算法的的优化、枚举对象的选择以及判定条件的确定,这三个方面来探讨如何用枚举法解题。

枚举算法应用

例1:

百钱买百鸡问题:

有一个人有一百块钱,打算买一百只鸡。

到市场一看,大鸡三块钱一只,小鸡一块钱三只,不大不小的鸡两块钱一只。

现在,请你编一程序,帮他计划一下,怎么样买法,才能刚好用一百块钱买一百只鸡?

算法分析:

此题很显然是用枚举法,我们以三种鸡的个数为枚举对象(分别设为x,y,z),以三种鸡的总数(x+y+z)和买鸡用去的钱的总数(x*3+y*2+z)为判定条件,穷举各种鸡的个数。

下面是解这个百鸡问题的程序

varx,y,z:

integer;

begin

forx:

=0to100do

fory:

=0to100do

forz:

=0to100do{枚举所有可能的解}

if(x+y+z=100)and(x*3+y*2+zdiv3=100)and(zmod3=0)thenwriteln('x=',x,'y=',y,'z=',z);{验证可能的解,并输出符合题目要求的解}

end.

上面的条件还有优化的空间,三种鸡的和是固定的,我们只要枚举二种鸡(x,y),第三种鸡就可以根据约束条件求得(z=100-x-y),这样就缩小了枚举范围,请看下面的程序:

varx,y,z:

integer;

begin

forx:

=0to100do

fory:

=0to100-xdo

begin

z:

=100-x-y;

if(x*3+y*2+zdiv3=100)and(zmod3=0)thenwriteln('x=',x,'y=',y,'z=',z);

end;

end.

未经优化的程序循环了1013次,时间复杂度为O(n3);优化后的程序只循环了(102*101/2)次,时间复杂度为O(n2)。

从上面的对比可以看出,对于枚举算法,加强约束条件,缩小枚举的范围,是程序优化的主要考虑方向。

在枚举算法中,枚举对象的选择也是非常重要的,它直接影响着算法的时间复杂度,选择适当的枚举对象可以获得更高的效率。

如下例:

例2、将1,2...9共9个数分成三组,分别组成三个三位数,且使这三个三位数构成1:

2:

3的比例,试求出所有满足条件的三个三位数.

例如:

三个三位数192,384,576满足以上条件.(NOIP1998pj)

算法分析:

这是1998年全国分区联赛普及组试题(简称NOIP1998pj,以下同)。

此题数据规模不大,可以进行枚举,如果我们不加思地以每一个数位为枚举对象,一位一位地去枚举:

fora:

=1to9do

forb:

=1to9do

………

fori:

=1to9do

这样下去,枚举次数就有99次,如果我们分别设三个数为x,2x,3x,以x为枚举对象,穷举的范围就减少为93,在细节上再进一步优化,枚举范围就更少了。

程序如下:

var

t,x:

integer;

s,st:

string;

c:

char;

begin

forx:

=123to321do{枚举所有可能的解}

begin

t:

=0;

str(x,st);{把整数x转化为字符串,存放在st中}

str(x*2,s);st:

=st+s;

str(x*3,s);st:

=st+s;

forc:

='1'to'9'do{枚举9个字符,判断是否都在st中}

ifpos(c,st)<>0theninc(t)elsebreak;{如果不在st中,则退出循环}

ift=9thenwriteln(x,'',x*2,'',x*3);

end;

end.

在枚举法解题中,判定条件的确定也是很重要的,如果约束条件不对或者不全面,就穷举不出正确的结果, 我们再看看下面的例子。

例3一元三次方程求解(noip2001tg)

问题描述有形如:

ax3+bx2+cx+d=0这样的一个一元三次方程。

给出该方程中各项的系数(a,b,c,d均为实数),并约定该方程存在三个不同实根(根的范围在-100至100之间),且根与根之差的绝对值>=1。

要求由小到大依次在同一行输出这三个实根(根与根之间留有空格),并精确到小数点后2位。

提示:

记方程f(x)=0,若存在2个数x1和x2,且x1

样例

输入:

1-5-420

输出:

-2.002.005.00

算法分析:

由题目的提示很符合二分法求解的原理,所以此题可以用二分法。

用二分法解题相对于枚举法来说很要复杂很多。

此题是否能用枚举法求解呢?

再分析一下题目,根的范围在-100到100之间,结果只要保留两位小数,我们不妨将根的值域扩大100倍(-10000<=x<=10000),再以根为枚举对象,枚举范围是-10000到10000,用原方程式进行一一验证,找出方程的解。

有的同学在比赛中是这样做

var

k:

integer;

a,b,c,d,x:

real;

begin

read(a,b,c,d);

fork:

=-10000to10000do

begin

x:

=k/100;

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