三、递归树分析法

1 问题

三、递归树分析法_第1张图片

2 解决思路

使用递归树猜想一个上界,使用归纳法证明上界也是下界。

2.1 使用递归树(recursion tree)猜想结论(不严谨)

使用递归树两点:1⃣️逐行展开;2⃣️逐行相加;

逐行展开

本质上是分解问题,每个非叶子结点表示分解+合并问题所付出的代价,叶子结点表示解决边界问题所付出的代价。
三、递归树分析法_第2张图片

逐层求和

这里要注意,除去非叶子结点,每一层的和呈现出等比数列性质,计算整个代价 T ( n ) T(n) T(n)本质上就是分解(合并)问题付出的代价+解决递归边界付出的代价。

Case1:

分解问题的代价:
三、递归树分析法_第3张图片
三、递归树分析法_第4张图片
解决递归边界的代价:
Θ ( n l o g b a ) \Theta(n^{log_ba}) Θ(nlogba)
取多项式最高次项,因此 T ( n ) = O ( n l o g b a ) T(n) = O(n^{log_ba}) T(n)=O(nlogba);

Case2:

分解问题的代价:
三、递归树分析法_第5张图片
解决递归边界的代价:
Θ ( n l o g b a ) \Theta(n^{log_ba}) Θ(nlogba)
取多项式最高次项,因此 T ( n ) = O ( n l o g b a l o g b n ) T(n) = O(n^{log_ba}log_bn) T(n)=O(nlogbalogbn);

Case3:

分解问题的代价:
根据假设容易得到
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
上面的不等号是渐进成立的,所以为了保证对每一个 n n n都成立,对于前有限的 n n n,要加上每一个都要加上一个足够大的常数,因此有下面的式子。
三、递归树分析法_第6张图片
解决递归边界的代价:
Θ ( n l o g b a ) \Theta(n^{log_ba}) Θ(nlogba)
取多项式最高次项,因此 T ( n ) = O ( f ( n ) ) T(n) = O(f(n)) T(n)=O(f(n));

2.2 使用归纳法证明结论(严谨)

上面的递归树分析只是大概得到了一个上界,下面使用数学归纳发证明上届也是下界。

Case1:

三、递归树分析法_第7张图片

Case2:

三、递归树分析法_第8张图片

Case3:

三、递归树分析法_第9张图片

3 结论

  1. 先使用非严谨的形式分析、猜想,然后用数学归纳法证明,这个思路贯穿整个导论一书;
  2. 主定理由递归树推出,很多情形不符合主定理的假设,但是递归树+归纳法仍然可以解决,所以整个过程最有价值的是这套分析、证明方法,而非主定理。
  3. 上面在使用归纳法证明时,渐进符号的威力惊艳了我!

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