Python Algorithm class (Divide and Conquer) (1)

nathan29849·2021년 4월 8일
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Python Algorithm class

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다룰 내용

  1. 분할과 정복 방법
  2. 재귀(Recursion, 순환)
  3. 분할과 정복에 의한 정렬 알고리즘(병합정렬과 퀵정렬)

1. 분할과 정복(Divide and Conquer)

알고리즘

  1. 문제를 작은 문제(subproblem)들로 나눈다.
  2. 단계 1의 작은 문제들의 해를 재귀적으로(recursively) 구한다.
  3. 단계 2에서 구한 작은 문제들의 해를 이용하여 원래 문제의 해를 구한다.

(1) 리스트(배열)에서 최댓값 찾기

문제 : 리스트(배열) a에서 최댓값을 찾아라. (n: 원소 개수)

우선, 파이썬 코드로 다음을 나타내보자. (built-in 함수인 max()를 사용하지 않았다.)
(결국 시간 복잡도는 O(n)으로 같음)

def maximum(a, first, last):
	if (first == last):
            return a[first]
        else:	# if (first < last)
            mid = (first + last) // 2
            lmax = maximum(a, first, mid-1)
            rmax = maximum(a, mid+1, last)
            if lmax > rmax:
                return lmax
            else:
                return rmax

main program : maximum(a, 0, len(a)-1)을 호출

수행시간 분석

T(n) : maximum(a, 0, n-1)의 수행시간 (원소 비교 횟수)

  • n = 2^k일 경우 ( 일반적인 경우와 비슷함 )
T(n) = 0 			// n = 1
     = 2T(n/2) + 1 		// n > 1
     = 2[2T(n/2^2) + 1]
     = 2^2 * T(n/2^2) + 2 + 1
     = 2^2 [2T(n/2^3) + 1] + 2 + 1
     = 2^3 * T(n/2^3) + 2^2 + 2 + 1
     ...
     = 2^k * T(n/2^k) + 2^(k-1) + ... + 1
     = 2^k * T(n/2^k) + 2^k
     ...
     n * 1 + n = 2n

T(n)은 O(N)이다.

(2) 점화식 풀기 (닫힌 형태 구하기)

예 1

f(n) = a (a는 상수) 		if n = 1
     = f(n-1) + bn (b는 상수) 	if n > 1

f(n) = f(n-1) + bn
     = [f(n-2) + b(n-1)] + bn = f(n-2) + b[(n-1) + n]
     = [f(n-3) + b(n-2)] + b[(n-1) + n] = f(n-3) + b[(n-2) +(n-1) + n]
     = ...
     = f(n-k) + b[(n-(k-1)) + ... + (n-1) + n]
     = f(n-k) + b(n-k+1 + n)k/2 -> 등차수열의 합 공식
     ...
     (n-k = 1 일 때)
     = f(1) + b(n+2)(n-1)/2

따라서 f(n)은 O(N^2)의 시간 복잡도를 갖는다.


예 2

n = 2^k 일 경우
f(n) = a (a는 상수)			if n = 1
     = 2f(n/2) + b (b는 상수) 		if n > 1

f(n) = 2 * f(n/2) + b = 2[2f(n/2^2) + b] + b
     = 2^2 * f(n/2^2) + 2b + b = 2^2[2f(n/2^3) + b] + 2b + b
     = 2^3 * f(n/2^3) + 2^2b + 2b + b = 2^3[2f(n/2^4) + b] + 2^2b + 2b + b
     ...
     = 2^k * f(n/2^k) + (2^(k-1) + ... + 2^2 + 2 + 1)b
     = 2^k * f(n/2^k) + (2^k - 1)b
     ...
     n = 2^k라고 하면,
     = nf(1) + (n-1) = 2n - 1

따라서 f(n)은 O(N)의 시간 복잡도를 갖는다. (n이 2^k가 아닐 경우에도 만족한다.)


예 3 (병합정렬의 점화식과 같음)

n = 2^k 일 경우
f(n) = a (a는 상수)			if n = 1
     <= 2f(n/2) + bn (b는 상수) 		if n > 1

f(n) <= 2 * f(n/2) + bn 
     <= 2[2f(n/2^2) + bn/2] + bn
     <= 2^2 * f(n/2^2) + bn + bn 
     <= 2^2[2f(n/2^3) + bn/2^2] + 2bn
     <= 2^3 * f(n/2^3) +3bn
     ...
     <= 2^k * f(n/2^k) + kbn
     ...
     n / 2^k = 1 이라고 하면, k = logn
     = nf(1) + bn(logn) = an + bnlogn

따라서 f(n)은 O(NlogN)의 시간 복잡도를 갖는다. (n이 2^k가 아닐 경우에도 만족한다.)

  • 정렬되어 있는 리스트(배열) A에서 item과 같은 원소의 위치를 찾아라.
  • 분할과 정복을 이용한 기본적인 알고리즘
    • item을 A의 중앙 위치의 원소와 비교하여, 같으면 이 위치 반환
    • item이 A 중앙 원소보다 작으면, 왼쪽 부분에서 이진탐색
    • item이 A 중앙 원소보다 크면, 오른쪽 부분에서 이진탐색
def binarySearch(A, item, left, right):
    if left <= right:
        mid = (left + right)//2
        if item == A[mid]:
            return mid
        elif item < A[mid]:
            return binarySearch(A, item, left, mid-1)
        else:
            return binarySearch(A, item, mid+1, right)

수행시간 분석
T(n) : binarySearch(A, item, 0, n-1)을 수행할 때 원소 비교 횟수

T(n) = 0 			if n = 1
     <= T(n/2) + 1		if n > 1
     
대략적인 분석 (X^n을 계산하는 함수 exp3(x,n) 수행시간 분석과 유사함)
...
T(n) <= T(n/2^k) + k
...
n/2^k = 1 (즉, k = log n) 일 때,
T(n) <= T(1) + logn

참고 : exp3(x,n)을 다루는 부분

수행시간 : item과 A의 원소 비교횟수 O(log N)

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