0x02.基本算法 — 递推与递归
目录
- 一、递推与递归
- 二、分治
- 三、模拟计算机实现递归
- 四、相应习题：
- 0.AcWing 92. 递归实现指数型枚举（递归/循环+位运算）
- 1.AcWing 93. 递归实现组合型枚举
- 2.AcWing 94. 递归实现排列型枚举 （全排列）
- 3.AcWing 95. 费解的开关
- 4.奇怪的汉诺塔 （n盘4柱）
- 4.1奇怪的汉诺塔++（n盘m柱）
- 5.POJ 1845 Sumdiv（AcWing 97. 约数之和）（数论）（分治）
- 6.POJ 3889 Fractal Streets（AcWing 98. 分形之城）（分形，递归，DFS）
声明：
本系列博客是《算法竞赛进阶指南》+《算法竞赛入门经典》+《挑战程序设计竞赛》的学习笔记，主要是因为我三本都买了 按照《算法竞赛进阶指南》的目录顺序学习，包含书中的少部分重要知识点、例题解题报告及我个人的学习心得和对该算法的补充拓展，仅用于学习交流和复习，无任何商业用途。博客中部分内容来源于书本和网络（我尽量减少书中引用），由我个人整理总结（习题和代码可全都是我自己敲哒）部分内容由我个人编写而成，如果想要有更好的学习体验或者希望学习到更全面的知识，请于京东搜索购买正版图书：《算法竞赛进阶指南》——作者李煜东，强烈安利，好书不火系列，谢谢配合。
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一、递推与递归
对于一个待求解的问题，当它局限于某处边界，某个小范围或者某种特殊情况下时，其答案往往是已知的。如果能够将该解答的应用场景扩大到原问题的状态空间，并且扩展过程的每个步骤都具有相似性，就可以考虑使用递推或者递归求解。
递归问题的核心思想：
在每次递归的时候都分别尝试所有可能的情况，选择分支，将问题数量减少一，从而转化为一个规模更小的同类问题
二、分治
分治法把一个问题划分位=为若干个规模更小的同类子问题，对这些子问题递归求解，然后在回溯时通过它们推导出原问题的解。
三、模拟计算机实现递归
// 模拟机器实现，把组合型枚举改为非递归vector<int> chosen;
int stack[100010], top = 0, address = 0;void call(int x, int ret_addr) { // 模拟计算机汇编指令callint old_top = top;stack[++top] = x; // 参数xstack[++top] = ret_addr; // 返回地址标号stack[++top] = old_top; // 在栈顶记录以前的top值
}int ret() { // 模拟计算机汇编指令retint ret_addr = stack[top - 1];top = stack[top]; // 恢复以前的top值return ret_addr;
}int main() {int n, m;cin >> n >> m;call(1, 0); // calc(1)while (top) {int x = stack[top - 2]; // 获取参数switch (address) {case 0:if (chosen.size() > m || chosen.size() + (n - x + 1) < m) {address = ret(); // returncontinue;}if (x == n + 1) {for (int i = 0; i < chosen.size(); i++)printf("%d ", chosen[i]);puts("");address = ret(); // returncontinue;}call(x + 1, 1); // 相当于calc(x + 1)，返回后会从case 1继续执行address = 0;continue; // 回到while循环开头，相当于开始新的递归case 1:chosen.push_back(x);call(x + 1, 2); // 相当于calc(x + 1)，返回后会从case 2继续执行address = 0;continue; // 回到while循环开头，相当于开始新的递归case 2:chosen.pop_back();address = ret(); // 相当于原calc函数结尾，执行return}}
}
四、相应习题：
0.AcWing 92. 递归实现指数型枚举（递归/循环+位运算）
AcWing 92. 递归实现指数型枚举（递归/循环+位运算）
输出样例：
3
2
2 3
1
1 3
1 2
1 2 3
这个问题等价于每个整数选或者不选，那么总方案数就有2n2^n2n种。
可以根据上一节学习的状态压缩方法运用二进制来存储状态，做法如下：
#include<bits/stdc++.h>
#define ls (p<<1)
#define rs (p<<1|1)
#define over(i,s,t) for(register long long i=s;i<=t;++i)
#define lver(i,t,s) for(register long long i=t;i>=s;--i)
//#define int __int128
using namespace std;
typedef long long ll;//全用ll可能会MLE或者直接WA,试着改成int看会不会A
const ll N=5e5+7;
const ll mod=1e9+7;
const double EPS=1e-10;//-10次方约等于趋近为0
int n;
void dfs(int u, int state)
{if (u == n){for (int i = 0; i < n; i ++ )if (state >> i & 1)cout << i + 1 << ' ';cout << endl;return;}dfs(u + 1, state);dfs(u + 1, state + (1 << u));
}int main()
{cin >> n;dfs(0, 0);return 0;
}当然也可以直接递归完成。
在每次递归的时候都分别尝试某个数选或者不选这两种情况（尝试所有可能的状态），选择这两条分支，将问题中的整数数量减少一，从而转化为一个规模更小的同类问题，这就是递归问题的核心思想
#include<bits/stdc++.h>
#define ls (p<<1)
#define rs (p<<1|1)
#define over(i,s,t) for(register long long i=s;i<=t;++i)
#define lver(i,t,s) for(register long long i=t;i>=s;--i)
//#define int __int128
using namespace std;
typedef long long ll;//全用ll可能会MLE或者直接WA,试着改成int看会不会A
const ll N=5e5+7;
const ll mod=1e9+7;
const double EPS=1e-10;//-10次方约等于趋近为0
ll n;
vector<ll>chosen;
void calc(ll x)
{if(x==n+1){for(int i=0;i<chosen.size();++i)printf("%lld ",chosen[i]);puts("");return ;}//不选calc(x+1);//选chosen.push_back(x);calc(x+1);chosen.pop_back();//准备回溯到上一个问题之前要还原现场
}
int main()
{scanf("%lld",&n);calc(1);return 0;
}1.AcWing 93. 递归实现组合型枚举
AcWing 93. 递归实现组合型枚举
输出样例：
1 2 3
1 2 4
1 2 5
1 3 4
1 3 5
1 4 5
2 3 4
2 3 5
2 4 5
3 4 5
相比上一个问题多加一个判断：如果所选的数超过m个或者剩下的全部选完都不够m个就返回
#include<bits/stdc++.h>
#define ls (p<<1)
#define rs (p<<1|1)
#define over(i,s,t) for(register long long i=s;i<=t;++i)
#define lver(i,t,s) for(register long long i=t;i>=s;--i)
//#define int __int128
using namespace std;
typedef long long ll;//全用ll可能会MLE或者直接WA,试着改成int看会不会A
const ll N=5e5+7;
const ll mod=1e9+7;
const double EPS=1e-10;//-10次方约等于趋近为0
ll n,m;
vector<ll>chosen;
void calc(ll x)
{//多加一个判断，如果所选的数超过m个或者剩下的全部选完都不够m个就返回if(chosen.size()>m||chosen.size()+(n-x+1)<m)return ;if(x==n+1){for(int i=0;i<chosen.size();++i)printf("%lld ",chosen[i]);puts("");return ;}//不选calc(x+1);//选chosen.push_back(x);calc(x+1);chosen.pop_back();//准备回溯到上一个问题之前要还原现场
}
int main()
{scanf("%lld%lld",&n,&m);calc(1);return 0;
}2.AcWing 94. 递归实现排列型枚举 （全排列）
https://www.acwing.com/problem/content/96/
也可以用C++的STL里面的 next_permutation。
#include<bits/stdc++.h>
#define ls (p<<1)
#define rs (p<<1|1)
#define over(i,s,t) for(register long long i=s;i<=t;++i)
#define lver(i,t,s) for(register long long i=t;i>=s;--i)
//#define int __int128
using namespace std;
typedef long long ll;//全用ll可能会MLE或者直接WA,试着改成int看会不会A
const ll N=5e5+7;
const ll mod=1e9+7;
const double EPS=1e-10;//-10次方约等于趋近为0
ll n,m;ll order[20];
bool chosen[20];
void dfs(ll x)
{if(x==n+1){over(i,1,n)printf("%lld%s",order[i],i==n?"\n":" ");//这里应该用%s（前后要对应）return ;}over(i,1,n)//对于每一位都有n种选择{if(chosen[i])continue;order[x]=i;chosen[i]=1;dfs(x+1);chosen[i]=0;//回溯order[x]=0;//这一行可忽略，毕竟一会还是会被覆盖的}
}int main()
{scanf("%lld",&n);dfs(1);return 0;
}3.AcWing 95. 费解的开关
https://www.acwing.com/problem/content/97/
正解
大致解题思路：这道题目首先看一眼，我们就可以知道必然与位运算有着密切的关系，因为出现了0和1，这是一个重要的发现，接着我们在仔细分析题意，我们知道如果纯暴力枚举的话，必然是会超时的，那么如何优化呢？因此我们需要从题目中找出非常有用的性质来优化，这是一个大致的思路方向
每一个位置顶多只会操作一次。因为如果操作两次的话，相当于不操作，必然是不满足最优解。
在一套方案中，操作的顺序无关紧要，这一个略加思索便可得知
最重要的性质，如果我们确定了第I行的操作方案的话，那么后面的行数都可以依此递推，下面给出一个详细的解答。
11011
10110
01111
11111
比如说这个例子，如果我们确定了第1行，那么第二行所有的0(坐标：a[i][j])
都只能是第三行a[i+1][j]来修改了，因为如果你第二行修改的话，
那么第一行将会打乱，下面每一行依此类推。
懒得写解析了，上面的是直接用大佬的
上述题解来源
所以说，我们只需要得出第一行的顺序，后面的顺序都可以顺序推出，不过第一行必须全部打开
特别注意二进制的第几位是从第0位开始的，一定要注意，本题中如果枚举的j是从1开始的就要j-1
#include<bits/stdc++.h>
#define ls (p<<1)
#define rs (p<<1|1)
#define over(i,s,t) for(register long long i=s;i<=t;++i)
#define lver(i,t,s) for(register long long i=t;i>=s;--i)
//#define int __int128
using namespace std;
typedef long long ll;//全用ll可能会MLE或者直接WA,试着改成int看会不会A
const ll N=10;
const ll mod=1e9+7;
const double EPS=1e-10;//-10次方约等于趋近为0ll n,m;
char a[N][N];
char b[N][N];
ll ans,answer;
inline void init()
{getchar();over(i,1,5){over(j,1,5){char ch=getchar();a[i][j]=ch-'0';}getchar();}
}
inline bool judge()
{over(i,1,5)over(j,1,5){if(!b[i][j])return false;}return true;
}inline void handle(ll x,ll y)
{b[x][y]^=1;b[x+1][y]^=1;b[x-1][y]^=1;b[x][y+1]^=1;b[x][y-1]^=1;
}
inline ll solve()
{answer=1e9+7;for(int i=1;i<=(1<<5);++i)//枚举所有可能的情况，比较。{//一定要先把第一行给全部打开，但是如果遇见一个没有开的就直接开不一定能实现全部打开，ans=0;//所以要枚举所有的可能使得第一行的灯全部打开memcpy(b,a,sizeof a);over(j,1,5){if(i>>(j-1)&1)//特别注意二进制的第几位是从第0位开始的，一定要减一ans++,handle(1,j);}over(j,1,4)over(k,1,5)//由第一行的状态决定后面所有行的情况{if(!b[j][k])//如果这一位没有开灯就直接开ans++,handle(j+1,k);}if(judge()){answer=min(ans,answer);}}return answer;
}
ll t;
int main()
{scanf("%lld",&t);while(t--){init();if(solve()<=6)printf("%lld\n",answer);else puts("-1");}return 0;
}4.奇怪的汉诺塔 （n盘4柱）
https://www.acwing.com/problem/content/98/
我们先考虑三个塔的汉诺塔问题，最优秀方案：必然是先挪走n-1个圆盘，然后再挪走圆盘N，
因此可以得出递推方程也就是 d[i]=d[i−1]∗2+1d[i]=d[i-1]*2+1d[i]=d[i−1]∗2+1
之所以要乘以2，是因为第一次挪到第二个塔，然后还要挪移回到第三个塔，下面四个塔也是这样的
接着考虑四塔问题，我们可以这么思考，首先挪走j个塔，也就是有四个塔可以选择，然后再挪走剩下的n-j个塔，此时有三个塔可以选择，因此这就是我们的状态转移方程：f[i]=min(f[i],f[j]∗2+d[n−j])f[i]=min(f[i],f[j]*2+d[n-j])f[i]=min(f[i],f[j]∗2+d[n−j])，i表示当前一共有几个塔，也就是上文所说的n
#include<bits/stdc++.h>
#define ls (p<<1)
#define rs (p<<1|1)
#define over(i,s,t) for(register long long i=s;i<=t;++i)
#define lver(i,t,s) for(register long long i=t;i>=s;--i)
//#define int __int128
using namespace std;
typedef long long ll;//全用ll可能会MLE或者直接WA,试着改成int看会不会A
const ll N=5e5+7;
const ll mod=1e9+7;
const double EPS=1e-10;//-10次方约等于趋近为0
ll d[20],f[20];
int main()
{d[1]=1;for(int i=2;i<=12;++i)d[i]=d[i-1]*2+1;memset(f,0x3f,sizeof f);f[0]=0;for(int i=1;i<=12;i++)for(int j=0;j<=i;++j)f[i]=min(f[i],f[j]*2+d[i-j]);over(i,1,12)printf("%lld\n",f[i]);return 0;
}4.1奇怪的汉诺塔++（n盘m柱）
上面的那道的进化版本，这次要求n盘m柱的汉诺塔最小移动次数
类比只有三个柱子的汉诺塔, 设 f[i][j]f[i][j]f[i][j] 为有iii个盘子 jjj 个柱子时的最少步数. 那么肯定是把一些上面盘子移动到某根不是 jjj 的柱子上, 然后把剩下的盘子移动到 jjj , 然后再把上面的盘子移动到 jjj . 于是就有递推式
f[i][j]=minf[k][j]∗2+f[i−k][j−1]f[i][j]=minf[k][j]∗2+f[i−k][j−1]f[i][j]=minf[k][j]∗2+f[i−k][j−1]
代码如下：
#include<bits/stdc++.h>
#define ls (p<<1)
#define rs (p<<1|1)
#define over(i,s,t) for(register long long i=s;i<=t;++i)
#define lver(i,t,s) for(register long long i=t;i>=s;--i)
//#define int __int128
using namespace std;
typedef long long ll;//全用ll可能会MLE或者直接WA,试着改成int看会不会A
const ll N=5e2+7;
const ll mod=1e9+7;
const double EPS=1e-10;//-10次方约等于趋近为0int n,m;
ll dp[N][N];int main()
{scanf("%d%d",&n,&m);memset(dp,0x3f,sizeof dp);dp[3][0]=0;for(int i=1;i<=n;++i) dp[3][i]=dp[3][i-1]<<1|1;//*2+1for(int i=4;i<=m;++i) dp[i][0]=0,dp[i][1]=1;
/* for(int i=2;i<=n;++i)for(int j=1;j<i;++j)dp[4][i]=min(dp[4][i],2*dp[4][i-j]+mpow(2,j)-1);*/for(int i=4;i<=m;++i)for(int j=2;j<=n;++j)for(int k=1;k<j;++k) dp[i][j]=min(dp[i][j],dp[i][j-k]*2+dp[i-1][k]);printf("%lld\n",dp[m][n]);return 0;
}5.POJ 1845 Sumdiv（AcWing 97. 约数之和）（数论）（分治）
本题需要运用到一下数论知识点。
（1） 整数的唯一分解定理：
任意正整数都有且只有一种方式写出其素因子的乘积表达式。
A=(p1k1)∗(p2k2)∗(p3k3)∗....∗(pnkn)A=(p1^k1)*(p2^k2)*(p3^k3)*....*(pn^kn)A=(p1k1)∗(p2k2)∗(p3k3)∗....∗(pnkn) 其中pi均为素数
（2） 约数和公式：
对于已经分解的整数A=(p1k1)∗(p2k2)∗(p3k3)∗....∗(pnkn)A=(p1^{k1})*(p2^{k2})*(p3^{k3})*....*(pn^{kn})A=(p1k1)∗(p2k2)∗(p3k3)∗....∗(pnkn)
有A的所有因子之和为
S=(1+p1+p12+p13+...p1k1)∗(1+p2+p22+p23+….p2k2)∗(1+p3+p33+…+p3k3)∗....∗(1+pn+pn2+pn3+...pnkn)S = (1+p1+p1^2+p1^3+...p1^{k1}) * (1+p2+p2^2+p2^3+….p2^{k2}) * (1+p3+ p3^3+…+ p3^{k3}) * .... * (1+pn+pn^2+pn^3+...pn^{kn})S=(1+p1+p12+p13+...p1k1)∗(1+p2+p22+p23+….p2k2)∗(1+p3+p33+…+p3k3)∗....∗(1+pn+pn2+pn3+...pnkn)
（3） 同余模公式：
(a+b)%m=(a%m+b%m)%m(a+b)\%m=(a\%m+b\%m)\%m(a+b)%m=(a%m+b%m)%m
(a∗b)%m=(a%m∗b%m)%m(a*b)\%m=(a\%m*b\%m)\%m(a∗b)%m=(a%m∗b%m)%m
答案详解：
https://www.acwing.com/solution/acwing/content/813/
以后学完数论再写这道题吧。
6.POJ 3889 Fractal Streets（AcWing 98. 分形之城）（分形，递归，DFS）
题解l链接：
https://www.acwing.com/solution/AcWing/content/814/
如下图：
我的代码：
#include<bits/stdc++.h>
#define ls (p<<1)
#define rs (p<<1|1)
#define over(i,s,t) for(register long long i=s;i<=t;++i)
#define lver(i,t,s) for(register long long i=t;i>=s;--i)
//#define int __int128
using namespace std;
typedef long long ll;//全用ll可能会MLE或者直接WA,试着改成int看会不会A
const ll N=5e2+7;
const ll mod=1e9+7;
const double EPS=1e-10;//-10次方约等于趋近为0
pair<ll,ll> calc(ll n,ll m)
{if(n==0)return make_pair(0,0);ll len=1ll<<(n-1),cnt=1ll<<(2*n-2);pair<ll,ll> pos=calc(n-1,m%cnt);ll x=pos.first,y=pos.second;ll z=m/cnt;if(z==0)return make_pair(y,x);if(z==1)return make_pair(x,y+len);if(z==2)return make_pair(x+len,y+len);if(z==3)return make_pair(2*len-y-1,len-x-1);
}ll t;
int main()
{scanf("%lld",&t);while(t--){ll n,a,b;scanf("%lld%lld%lld",&n,&a,&b);pair<ll,ll> ma=calc(n,a-1);pair<ll,ll> mb=calc(n,b-1);ll x=ma.first-mb.first,y=ma.second-mb.second;double dir=sqrt(double(x*x+y*y))*10;printf("%0.f\n",dir);}return 0;
}注：如果您通过本文,有(qi)用(guai)的知识增加了，请您点个赞再离开,如果不嫌弃的话,点个关注再走吧，日更博主每天在线答疑 ! 当然，也非常欢迎您能在讨论区指出此文的不足处，作者会及时对文章加以修正 !如果有任何问题，欢迎评论，非常乐意为您解答！( •̀ ω •́ )✧
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