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算法设计与分析基础
习题 1.1
5..证明等式 gcd(m,n)=gcd(n,m mod n)对每一对正整数 m,n 都成立.
Hint:
根据除法的定义不难证明:
如果 d 整除 u 和 v, 那么 d 一定能整除 u±v;
如果 d 整除 u,那么 d 也能够整除 u 的任何整数倍 ku.
对于任意一对正整数 m,n,若 d 能整除 m 和 n,那么 d 一定能整除 n 和 r=m
mod n=m-qn;显然,若 d 能整除 n 和 r,也一定能整除 m=r+qn 和 n。
数对(m,n)和(n,r)具有相同的公约数的有限非空集,其中也包括了最大公约数。
故 gcd(m,n)=gcd(n,r)
6.对于第一个数小于第二个数的一对数字,欧几里得算法将会如何处理?该算法在处理
这种输入的过程中,上述情况最多会发生几次?
Hint:
对于任何形如 0<=m<n 的一对数字,Euclid 算法在第一次叠代时交换 m 和 n, 即
gcd(m,n)=gcd(n,m)
并且这种交换处理只发生一次.
7.a.对于所有 1≤m,n≤10 的输入, Euclid 算法最少要做几次除法?(1 次)
b. 对于所有 1≤m,n≤10 的输入, Euclid 算法最多要做几次除法?(5 次)
gcd(5,8)
习题 1.2
1.(农夫过河)
P—农夫 W—狼 G—山羊 C—白菜
2.(过桥问题)
1,2,5,10---分别代表 4 个人, f—手电筒
4. 对于任意实系数 a,b,c, 某个算法能求方程 ax^2+bx+c=0 的实根,写出上述算法的伪代
码(可以假设 sqrt(x)是求平方根的函数)
算法 Quadratic(a,b,c)
//求方程 ax^2+bx+c=0 的实根的算法
//输入:实系数 a,b,c
//输出:实根或者无解信息
1
If a≠0
D←b*b-4*a*c
If D>0
temp←2*a
x1←(-b+sqrt(D))/temp
x2←(-b-sqrt(D))/temp
return x1,x2
else if D=0 return –b/(2*a)
else return “no real roots”
else //a=0
if b≠0 return –c/b
else //a=b=0
if c=0 return “no real numbers”
else return “no real roots”
5. 描述将十进制整数表达为二进制整数的标准算法
a.用文字描述
b.用伪代码描述
解答:
a.将十进制整数转换为二进制整数的算法
输入:一个正整数 n
输出:正整数 n 相应的二进制数
第一步:用 n 除以 2,余数赋给 Ki(i=0,1,2...),商赋给 n
第二步:如果 n=0,则到第三步,否则重复第一步
第三步:将 Ki 按照 i 从高到低的顺序输出
b.伪代码
算法 DectoBin(n)
//将十进制整数 n 转换为二进制整数的算法
//输入:正整数 n
//输出:该正整数相应的二进制数,该数存放于数组 Bin[1...n]中
i=1
while n!=0 do {
Bin[i]=n%2;
n=(int)n/2;
i++;
}
while i!=0 do{
print Bin[i];
i--;
}
9.考虑下面这个算法,它求的是数组中大小相差最小的两个元素的差.(算法略)
对这个算法做尽可能多的改进.
算法 MinDistance(A[0..n-1])
2
//输入:数组 A[0..n-1]
//输出:the smallest distance d between two of its elements
习题 1.3
1. 考虑这样一个排序算法,该算法对于待排序的数组中的每一个元素,计算比它小的
元素个数,然后利用这个信息,将各个元素放到有序数组的相应位置上去.
a.应用该算法对列表”60,35,81,98,14,47”排序
b.该算法稳定吗?
c.该算法在位吗?
解:
a. 该算法对列表”60,35,81,98,14,47”排序的过程如下所示:
b.该算法不稳定.比如对列表”2,2*”排序
3
c.该算法不在位.额外空间 for S and Count[]
4.(古老的七桥问题)
习题 1.4
1.请分别描述一下应该如何实现下列对数组的操作,使得操作时间不依赖数组的长度.
a.删除数组的第 i 个元素(1<=i<=n)
b.删除有序数组的第 i 个元素(依然有序)
hints:
a. Replace the ith element with the last element and decrease the array size of 1
b. Replace the ith element with a special symbol that cannot be a value of the array’s
element(e.g., 0 for an array of positive numbers ) to mark the ith position is empty.
(“lazy deletion”)
第 2 章
习题 2.1
7.对下列断言进行证明:(如果是错误的,请举例)
a. 如果 t(n)∈O(g(n),则 g(n)∈Ω(t(n))
b.α>0 时,Θ(αg(n))= Θ(g(n))
解:
a. 这个断言是正确的。它指出如果 t(n)的增长率小于或等于 g(n)的增长率,那么 g(n)
的增长率大于或等于 t(n)的增长率
由 t(n)≤c·g(n) for all n≥n0, where c>0
则: for all n≥n0
b. 这个断言是正确的。只需证明 。
设 f(n)∈Θ(αg(n)),则有:
for all n>=n0, c>0
for all n>=n0, c1=cα>0
即:f(n)∈Θ(g(n))
又设 f(n)∈Θ(g(n)),则有: for all n>=n0,c>0
4
for all n>=n0,c1=c/α>0
即:f(n)∈Θ(αg(n))
8.证明本节定理对于下列符号也成立:
a.Ω 符号
b.Θ 符号
证明:
a 。 we need to proof that if t
1
(n)∈Ω(g
1
(n)) and t
2
(n)∈Ω(g
2
(n)), then t
1
(n)+
t
2
(n)∈Ω(max{g
1
(n), g
2
(n)})。
由 t
1
(n)∈Ω(g
1
(n)),
t
1
(n)≥c
1
g
1
(n) for all n>=n1, where c1>0
由 t
2
(n)∈Ω(g
2
(n)),
T
2
(n)≥c
2
g
2
(n) for all n>=n2, where c2>0
那么,取 c>=min{c1,c2},当 n>=max{n1,n2}时:
t
1
(n)+ t
2
(n)≥c
1
g
1
(n)+ c
2
g
2
(n)
≥c g
1
(n)+c g
2
(n)≥c[g
1
(n)+ g
2
(n)]
≥cmax{ g
1
(n), g
2
(n)}
所以以命题成立。
b. t
1
(n)+t
2
(n) ∈Θ(
证明:由大Ⓗ的定义知,必须确定常数 c1、c2 和 n0,使得对于所有 n>=n0,有:
由 t
1
(n)∈Θ(g1(n))知,存在非负整数 a1,a2 和 n1 使:
a1*g1(n)<=t
1
(n)<=a2*g1(n)-----(1)
由 t
2
(n)∈Θ(g2(n))知,存在非负整数 b1,b2 和 n2 使:
b1*g2(n)<=t
2
(n)<=b2*g2(n)-----(2)
(1)+(2):
a1*g1(n)+ b1*g2(n)<=t1(n)+t2(n) <= a2*g1(n)+ b2*g2(n)
令 c1=min(a1,b1),c2=max(a2,b2),则
C1*(g1+g2)<= t
1
(n)+t
2
(n) <=c2(g1+g2)-----(3)
不失一般性假设 max(g1(n),g2(n))=g1(n).
显然,g1(n)+g2(n)<2g1(n),即 g1+g2<2max(g1,g2)
又 g2(n)>0,g1(n)+g2(n)>g1(n),即 g1+g2>max(g1,g2)。
则(3)式转换为:
C1*max(g1,g2) <= t
1
(n)+t
2
(n) <=c2*2max(g1,g2)
所以当 c1=min(a1,b1),c2=2c2=2max(c1,c2),n0=max(n1,n2)时,当
n>=n0 时上述不等式成立。
证毕。
习题 2.4
1. 解下列递推关系 (做 a,b)
a.
解:
5
当 n>1 时
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