Ch 03. 분할 정복 알고리즘 (1)

분할 정복 알고리즘이란?

개념

• 분할한 입력 -> 동일 알고리즘 적용 -> 해 계산 -> 취합
• 부분문제: 분할된 입력에 대한 문제
• 부분해: 부분문제의 해

과정

• 분할
• 정복(분할 가능 상태일 경우 '분할'로 돌아감)
• 결합

  입력크기 n일 때, 총 분할 횟수 k = log n
  

종류

• 부분문제 수 a, 부분문제 크기 b에 따라 분류

1. a개로 분할, 1/b로 감소

• a=b=2: 합병 정렬, 최근 접점의 쌍 찾기
• a=3, b=2: 큰 정수의 곱셈
• a=4, b=2: 큰 정수의 곱셈
• a=7, b=2: 스트라센의 행렬 곱셈 알고리즘
  
  

2. a=2, b=일정 X 감소

• 퀵 정렬
  
  

3. a=2(2개 중 하나는 무시), 1/2로 감소

• 이진탐색
  
  

4. a=2(2개 중 하나는 무시), b=일정 X 감소

• 선택 문제 알고리즘
  
  

5. b=1, 2개씩 감소

• 삽입 정렬, 피보나치 수

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합병 정렬

개념

• 부분문제 수: 2개
• 부분문제 크기: 1/2씩 감소

방법

• 분할: 입력 n개 -> n/2 부분 배열 분할(1개 될 때까지)
• 정복: 부분 배열 정렬
• 결합: 부분 배열을 하나로 합병

구현

1. 분할

   • 배열 원소 수 2개 이상일 때(1개일 때까지) 반으로 나눈다.

2. 합병 정렬

   • 파이프 앞에서 원소를 하나씩 빼서 비교한 후, 새 파이프에 정리한다는 느낌으로 정렬된 부분 배열을 합병한다.
     

• Pseudo-code

  MergeSort(A, p, q): #배열 A, 첫 인덱스 p, 끝 인덱스 q
      if p < q: 		#배열 내 원소가 2개 이상일 때
          k = (p + q) // 2	#절반 위치 인덱스(몫만 취함)
          MergeSort(A, p, k)     #앞부분 순환 호출
          MergeSort(A, k + 1, q) # 뒷부분 순환 호출
          Merge(A, p, q)		#부분 배열 합병 정렬  

시간복잡도

• 배열 크기 n, 분할 트리를 포화이진트리라고 생각할 때,
  분할 시간복잡도: O(1)
  합병 횟수: log n
  레벨 별 비교 정렬 횟수: n
  따라서, 합병정렬 시간복잡도: O(nlogn)

공간복잡도

• 합병 결과 저장할 임시배열 필요: O(n)

특징/장점

• 안정적 정렬: 순서 변하지 않음
• 연결리스트 정렬 시 효율적

단점

• O(n)의 공간복잡도

응용

• 외부정렬
• 연결리스트 정렬 시

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퀵 정렬

개념

• 부분문제 수: 2개
• 부분문제 크기: 불규칙적(일정 X)

방법

1. 피벗 정하기
2. 피벗보다 작은 숫자들은 왼편, 큰 숫자는 오른편으로 분할(피벗 기준)
3. 왼편/오른편(부분문제)에 대해 각각 동일 과정 재귀적 수행

구현

1. 배열에 원소 2개 이상 있을 경우,
1-1. 배열 A[left] ~ A[right] 중 피벗 선택
1-2. SWAP(A[left], 피벗);
1-3. 피벗보다 작은 숫자들은 왼편, 큰 숫자는 오른편으로 옮기기
2. 피벗보다 작은 그룹 1번 과정 순환
3. 피벗보다 큰 그룹 1번 과정 순환

• Python

  def quick_sort(arr, start, end):
      if start >= end: return 
      pivot = arr[start] # 피벗은 첫번째 원소
      l, r = start + 1, end
  
      while l <= r:
          while l <= end and arr[l] <= arr[pivot]:
              l += 1
          while r > start and arr[r] >= arr[pivot]:
              r -= 1
          if l > r: 
              arr[r], arr[pivot] = arr[pivot], arr[r]
          else: 
              arr[r], arr[l] = arr[l], arr[r]
      quick_sort(arr, start, r - 1)
      quick_sort(arr, r + 1, end)
  
  A = [5, 3, 8, 4, 9, 1, 6, 2, 7, 10]
  print(quick_sort(A, 0, len(A)))

시간복잡도

• 최악: O(n^2) - 피벗이 최소/최대 숫자일 경우
• 최선: O(nlog n) - 분할이 절반으로 이루어질 때(=합병 정렬)
• 평균: O(nlog n)

피벗 선정 방법

퀵 정렬의 성능은 피벗이 좌우!

1. 랜덤 선정

2. 세 값의 median
   pivot = median{K[l], K[(l+r)/2], K[r]}

성능 향상 방법

• 입력 크기 매우 클 때, 삽입 정렬 동시 사용
  • 부분 문제 크기 일정 개수 이하: 삽입 정렬 사용

응용/장점

• 입력 크기 클 때 좋은 성능
• 평균 성능이 좋은 정렬 알고리즘
• 유전자 찾는 분야에 접미 배열과 같이 활용

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+ 시간복잡도: 합병 정렬 VS 퀵 정렬