Глава 1. Переменные, выражения, присваивания.
Глава 1. Переменные, выражения, присваивания.
1.1. Задачи без массивов
1.1.1. Даны две целые переменные a, b. Составить фрагмент
программы, после исполнения которого значения переменных поменя-
лись бы местами (новое значение a равно старому значению b и на-
оборот).
Решение. Введем дополнительную целую переменную t.
t := a;
a := b;
b := t;
Попытка обойтись без дополнительной переменной, написав
a := b;
b := a;
не приводит к цели (безвозвратно утрачивается начальное значение
переменной a).
1.1.2. Решить предыдущую задачу, не используя дополни-
тельных переменных (и предполагая, что значениями целых перемен-
ных могут быть произвольные целые числа).
Решение. (Начальные значения a и b обозначим a0, b0.)
a := a + b; {a = a0 + b0, b = b0}
b := a - b; {a = a0 + b0, b = a0}
a := a - b; {a = b0, b = a0}
1.1.3. Дано целое число а и натуральное (целое неотрица-
тельное) число n. Вычислить а в степени n. Другими словами, не-
обходимо составить программу, при исполнении которой значения
переменных а и n не меняются, а значение некоторой другой пере-
менной (например, b) становится равным а в степени n. (При этом
разрешается использовать и другие переменные.)
Решение. Введем целую переменную k, которая меняется от 0
до n, причем поддерживается такое свойство: b = (a в степени
k).
k := 0; b := 1;
{b = a в степени k}
while k <> n do begin
| k := k + 1;
| b := b * a;
end;
Другое решение той же задачи:
k := n; b := 1;
{a в степени n = b * (a в степени k)}
while k <> 0 do begin
| k := k - 1;
| b := b * a;
end;
1.1.4. Решить предыдущую задачу, если требуется, чтобы чис-
ло действий (выполняемых операторов присваивания) было порядка
log n (то есть не превосходило бы C*log n для некоторой констан-
ты C; log n - это степень, в которую нужно возвести 2, чтобы по-
лучить n).
Решение. Внесем некоторые изменения во второе из предложен-
ных решений предыдущей задачи:
k := n; b := 1; c:=a;
{a в степени n = b * (c в степени k)}
while k <> 0 do begin
| if k mod 2 = 0 then begin
| | k:= k div 2;
| | c:= c*c;
| end else begin
| | k := k - 1;
| | b := b * c;
| end;
end;
Каждый второй раз (не реже) будет выполняться первый вариант
оператора выбора (если k нечетно, то после вычитания единицы
становится четным), так что за два цикла величина k уменьшается
по крайней мере вдвое.
1.1.5. Даны натуральные числа а, b. Вычислить произведение
а*b, используя в программе лишь операции +, -, =, <>.
Решение.
var a, b, c, k : integer;
k := 0; c := 0;
{инвариант: c = a * k}
while k <> b do begin
| k := k + 1;
| c := c + a;
end;
{c = a * k и k = b, следовательно, c = a * b}
1.1.6. Даны натуральные числа а и b. Вычислить их сумму
а+b. Использовать операторы присваивания лишь вида
<переменная1> := <переменная2>,
<переменная> := <число>,
<переменная1> := <переменная2> + 1.
Решение.
...
{инвариант: c = a + k}
...
1.1.7. Дано натуральное (целое неотрицательное) число а и
целое положительное число d. Вычислить частное q и остаток r при
делении а на d, не используя операций div и mod.
Решение. Согласно определению, a = q * d + r, 0 <= r < d.
{a >= 0; d > 0}
r := a; q := 0;
{инвариант: a = q * d + r, 0 <= r}
while not (r < d) do begin
| {r >= d}
| r := r - d; {r >= 0}
| q := q + 1;
end;
1.1.8. Дано натуральное n, вычислить n!
(0!=1, n! = n * (n-1)!).
1.1.9. Последовательность Фибоначчи определяется так:
a(0)= 1, a(1) = 1, a(k) = a(k-1) + a(k-2) при k >= 2. Дано n,
вычислить a(n).
1.1.10. Та же задача, если требуется, чтобы число операций
было пропорционально log n. (Переменные должны быть целочислен-
ными.)
Указание. Пара соседних чисел Фибоначчи получается из пре-
дыдущей умножением на матрицу
|1 1|
|1 0|
так что задача сводится к возведению матрицы в степень n. Это
можно сделать за C*log n действий тем же способом, что и для чи-
сел.
1.1.11. Дано натуральное n, вычислить 1/0!+1/1!+...+1/n!.
1.1.12. То же, если требуется, чтобы количество операций
(выполненных команд присваивания) было бы не более C*n для не-
которой константы С.
Решение. Инвариант: sum = 1/1! +...+ 1/k!, last = 1/k!
(важно не вычислять заново каждый раз k!).
1.1.13. Даны два натуральных числа a и b, не равные нулю
одновременно. Вычислить НОД (a,b) - наибольший общий делитель а
и b.
Решение (1 вариант).
if a > b then begin
| k := a;
end else begin
| k := b;
end;
{k = max (a,b)}
{инвариант: никакое число, большее k, не является об-
щим делителем}
while not (((a mod k)=0) and ((b mod k)=0)) do begin
| k := k - 1;
end;
{k - общий делитель, большие - нет}
(2 вариант - алгоритм Евклида). Будем считать , что НОД
(0,0) = 0. Тогда НОД (a,b) = НОД (a-b,b) = НОД (a,b-a); НОД
(a,0) = НОД (0,a) = a для всех a,b>=0.
m := a; n := b;
{инвариант: НОД (a,b) = НОД (m,n); m,n >= 0 }
while not ((m=0) or (n=0)) do begin
| if m >= n then begin
| | m := m - n;
| end else begin
| | n := n - m;
| end;
end;
if m = 0 then begin
| k := n;
end else begin
| k := m;
end;
1.1.14. Написать модифицированный вариант алгоритма Евкли-
да, использующий соотношения НОД (a, b) = НОД (a mod b, b) при
a >= b, НОД (a, b) = НОД (a, b mod a) при b >= a.
1.1.15. Даны натуральные а и b, не равные 0 одновременно.
Найти d = НОД (a,b) и такие целые x и y, что d = a*x + b*y.
Решение. Добавим в алгоритм Евклида переменные p, q, r, s
и впишем в инвариант условия m = p*a + q*b; n = r*a + s*b.
m:=a; n:=b; p := 1; q := 0; r := 0; s := 1;
{инвариант: НОД (a,b) = НОД (m,n); m,n >= 0
m = p*a + q*b; n = r*a + s*b.}
while not ((m=0) or (n=0)) do begin
| if m >= n then begin
| | m := m - n; p := p - r; q := q - s;
| end else begin
| | n := n - m; r := r - p; s := s - q;
| end;
end;
if m = 0 then begin
| k :=n; x := r; y := s;
end else begin
| k := m; x := p; y := q;
end;
1.1.16. Решить предыдущую задачу, используя в алгоритме
Евклида деление с остатком.
1.1.17. (Э.Дейкстра). Добавим в алгоритм Евклида дополни-
тельные переменные u, v, z:
m := a; n := b; u := b; v := a;
{инвариант: НОД (a,b) = НОД (m,n); m,n >= 0 }
while not ((m=0) or (n=0)) do begin
| if m >= n then begin
| | m := m - n; v := v + u;
| end else begin
| | n := n - m; u := u + v;
| end;
end;
if m = 0 then begin
| z:= v;
end else begin {n=0}
| z:= u;
end;
Доказать, что после исполнения алгоритма z равно удвоенному на-
именьшему общему кратному чисел a, b: z = 2 * НОК (a,b).
Решение. Заметим, что величина m*u + n*v не меняется в ходе
выполнения алгоритма. Остается воспользоваться тем, что вначале
она равна 2*a*b и что НОД (a, b) * НОК (a, b) = a*b.
1.1.18. Написать вариант алгоритма Евклида, использующий
соотношения
НОД(2*a, 2*b) = 2*НОД(a,b)
НОД(2*a, b) = НОД(a,b) при нечетном b,
не включающий деления с остатком, а использующий лишь деление на
2 и проверку четности. (Число действий должно быть порядка log k
для исходных данных, не превосходящих k.)
Решение.
m:= a; n:=b; d:=1;
{НОД(a,b) = d * НОД(m,n)}
while not ((m=0) or (n=0)) do begin
| if (m mod 2 = 0) and (n mod 2 = 0) then begin
| | d:= d*2; m:= m div 2; n:= n div 2;
| end else if (m mod 2 = 0) and (n mod 2 = 1) then begin
| | m:= m div 2;
| end else if (m mod 2 = 1) and (n mod 2 = 0) then begin
| | n:= n div 2;
| end else if (m mod 2=1) and (n mod 2=1) and (m>=n)then begin
| | m:= m-n;
| end else if (m mod 2=1) and (n mod 2=1) and (m<=n)then begin
| | n:= n-m;
| end;
end;
{m=0 => ответ=d*n; n=0 => ответ=d*m}
Оценка числа действий: каждое второе действие делит хотя бы одно
из чисел m и n пополам.
1.1.19. Дополнить алгоритм предыдущей задачи поиском x и y,
для которых ax+by=НОД(a,b).
Решение. (Идея сообщена Д.Звонкиным) Прежде всего заметим,
что одновременое деление a и b пополам не меняет искомых x и y.
Поэтому можно считать, что с самого начала одно из чисел a и b
нечетно. (Это свойство будет сохраняться и далее.)
Теперь попытаемся, как и раньше, хранить такие числа
p,q,r,s, что
m = ap + bq
n = ar + bs
Проблема в том, что при делении, скажем, m на 2 надо разделить p
и q на 2, и они перестанут быть целыми (а станут двоично-раци-
ональными). Двоично-рациональное число естественно хранить в ви-
де пары (числитель, показатель степени двойки в знаменателе). В
итоге мы получаем d в виде комбинации a и b с двоично-раци-
ональными коэффициентами. Иными словами, мы имеем
(2 в степени i)* d = ax + by
для некоторых целых x,y и натурального i. Что делать, если i >
1? Если x и y чётны, то на 2 можно сократить. Если это не так,
положение можно исправить преобразованием
x := x + b
y := y - a
(оно не меняет ax+by). Убедимся в этом. Напомним, что мы счита-
ем, что одно из чисел a и b нечётно. Пусть это будет a. Если при
этом y чётно, то и x должно быть чётным (иначе ax+by будет не-
чётным). А при нечётном y вычитание из него нёчетного a делает y
чётным.
1.1.20. Составить программу, печатающую квадраты всех нату-
ральных чисел от 0 до заданного натурального n.
Решение.
k:=0;
writeln (k*k);
{инвариант: k<=n, напечатаны все
квадраты до k включительно}
while not (k=n) do begin
| k:=k+1;
| writeln (k*k);
end;
1.1.21. Та же задача, но разрешается использовать из ариф-
метических операций лишь сложение и вычитание, причем общее чис-
ло действий должно быть порядка n.
Решение. Введем переменную k_square (square - квадрат),
связанную с k соотношением k_square = k*k:
k := 0; k_square := 0;
writeln (k_square);
while not (k = n) do begin
| k := k + 1;
| {k_square = (k-1) * (k-1) = k*k - 2*k + 1}
| k_square := k_square + k + k - 1;
| writeln (k_square);
end;
1.1.22. Составить программу, печатающую разложение на прос-
тые множители заданного натурального числа n > 0 (другими слова-
ми, требуется печатать только простые числа и произведение напе-
чатанных чисел должно быть равно n; если n = 1, печатать ничего
не надо).
Решение (1 вариант).
k := n;
{инвариант: произведение напечатанных чисел и k равно
n, напечатаны только простые числа}
while not (k = 1) do begin
| l := 2;
| {инвариант: k не имеет делителей в интервале (1,l)}
| while k mod l <> 0 do begin
| | l := l + 1;
| end;
| {l - наименьший делитель k, больший 1, следовательно,
| простой}
| writeln (l);
| k:=k div l;
end;
(2 вариант).
k := n; l := 2;
{произведение k и напечатанных чисел равно n; напеча-
танные числа просты; k не имеет делителей, меньших l}
while not (k = 1) do begin
| if k mod l = 0 then begin
| | {k делится на l и не имеет делителей,
| | меньших l, значит, l просто}
| | k := k div l;
| | writeln (l);
| end else begin
| | { k не делится на l }
| | l := l + 1;
| end;
end;
1.1.23. Составить программу решения предыдущей задачи, ис-
пользующую тот факт, что составное число имеет делитель, не
превосходящий квадратного корня из этого числа.
Решение. Во втором варианте решения вместо l:=l+1 можно на-
писать
if l*l > k then begin
| l:=k;
end else begin
| l:=l+1;
end;
1.1.24. Проверить, является ли заданное натуральное число
n > 1 простым.
1.1.25. (Для знакомых с основами алгебры). Дано целое га-
уссово число n + mi (принадлежащее Z[i]). (a) Проверить, явля-
ется ли оно простым (в Z[i]); (б) напечатать его разложение на
простые (в Z[i]) множители.
1.1.26. Разрешим использовать команды write (i) лишь при i
= 0,1,2,...,9. Составить программу, печатающую десятичную за-
пись заданного натурального числа n > 0. (Случай n = 0 явился
бы некоторым исключением, так как обычно нули в начале числа не
печатаются, а для n = 0 - печатаются.)
Решение.
base:=1;
{base - степень 10, не превосходящая n}
while 10 * base <= n do begin
| base:= base * 10;
end;
{base - максимальная степень 10, не превосходящая n}
k:=n;
{инвариант: осталось напечатать k с тем же числом
знаков, что в base; base = 100..00}
while base <> 1 do begin
| write(k div base);
| k:= k mod base;
| base:= base div 10;
end;
{base=1; осталось напечатать однозначное число k}
write(k);
(Типичная ошибка при решении этой задачи: неправильно обрабаты-
ваются числа с нулями посередине. Приведенный инвариант допуска-
ет случай, когда k < base; в этом случае печатание k начинается
со старших нулей.)
1.1.27. То же самое, но надо напечатать десятичную запись в
обратном порядке. (Для n = 173 надо напечатать 371.)
Решение.
k:= n;
{инвариант: осталось напечатать k в обратном порядке}
while k <> 0 do begin
| write (k mod 10);
| k:= k div 10;
end;
1.1.28. Дано натуральное n. Подсчитать количество решений
неравенства x*x + y*y < n в натуральных (неотрицательных целых)
числах, не используя действий с вещественными числами.
Решение.
k := 0; s := 0;
{инвариант: s = количество решений неравенства
x*x + y*y < n c x < k}
while k*k < n do begin
| ...
| {t = число решений неравенства k*k + y*y < n
| (при данном k) }
| k := k + 1;
| s := s + t;
end;
{k*k >= n, поэтому s = количество всех решений
неравенства}
Здесь ... - пока еще не написанный кусок программы, который
будет таким:
l := 0; t := 0;
{инвариант: t = число решений
неравенства k*k + y*y < n c y < l }
while k*k + l*l < n do begin
| l := l + 1;
| t := t + 1;
end;
{k*k + l*l >= n, поэтому t = число
всех решений неравенства k*k + y*y < n}
1.1.29. Та же задача, но количество операций должно быть
порядка (n в степени 1/2). (В предыдущем решении, как можно
подсчитать, порядка n операций.)
Решение. Нас интересуют точки решетки (с целыми координата-
* ми) в первом квадранте, попадающие внутрь круга
* * * радиуса (n в степени 1/2). Интересующее нас
* * * * множество (назовем его X) состоит из объедине-
* * * * ния вертикальных столбцов убывающей высоты.
* * * * * Идея решения состоит в том, чтобы "двигаться
вдоль его границы", спускаясь по верхнему его краю, как по
лестнице. Координаты движущейся точки обозначим <k,l>. Введем
еще одну переменную s и будем поддерживать истинность такого ус-
ловия:
<k,l> находится сразу над k-ым столбцом;
s - число точек в предыдущих столбцах.
Формально:
l - минимальное среди тех l >= 0, для которых <k,l> не принад-
лежит X;
s - число пар натуральных x, y, для которых x < k и <x,y> при-
надлежит X.
Обозначим эти условия через (И).
k := 0; l := 0;
while "<0,l> принадлежит X" do begin
| l := l + 1;
end;
{k = 0, l - минимальное среди тех l >= 0,
для которых <k,l> не принадлежит X }
s := 0;
{инвариант: И}
while not (l = 0) do begin
| s := s + l;
| {s - число точек в столбцах до k-го включительно}
| k := k + 1;
| {точка <k,l> лежит вне X, но, возможно, ее надо сдвинуть
| вниз, чтобы восстановить И }
| while (l <> 0) and ("<k, l-1> не принадлежит X") do begin
| | l := l - 1;
| end;
end;
{И, l = 0, поэтому k-ый столбец и все следующие пусты, а
s равно искомому числу}
Оценка числа действий очевидна: сначала мы движемся вверх не бо-
лее чем на (n в степени 1/2) шагов, а затем вниз и вправо - в
каждую сторону не более чем на (n в степени 1/2) шагов.
1.1.30. Даны натуральные числа n и k, n > 1. Напечатать k
десятичных знаков числа 1/n. (При наличии двух десятичных разло-
жений выбирается то из них, которое не содержит девятки в пери-
оде.) Программа должна использовать только целые переменные.
Решение. Сдвинув в десятичной записи числа 1/n запятую на k
мест вправо, получим число (10 в степени k)/n. Нам надо напеча-
тать его целую часть, т. е. разделить (10 в степени k) на n на-
цело. Стандартный способ требует использования больших по вели-
чине чисел, которые могут выйти за границы диапазона представи-
мых чисел. Поэтому мы сделаем иначе (следуя обычному методу "де-
ления уголком") и будем хранить "остаток" r:
l := 0; r := 1;
{инв.: напечатано l разрядов 1/n, осталось напечатать
k - l разрядов дроби r/n}
while l <> k do begin
| write ( (10 * r) div n);
| r := (10 * r) mod n;
| l := l + 1;
end;
1.1.31. Дано натуральное число n > 1. Определить длину пе-
риода десятичной записи дроби 1/n.
Решение. Период дроби равен периоду в последовательности
остатков (докажите это; в частности, надо доказать, что он не
может быть меньше). Кроме того, в этой последовательности все
периодически повторяющиеся все члены различны, а предпериод име-
ет длину не более n. Поэтому достаточно найти (n+1)-ый член пос-
ледовательности остатков и затем минимальное k, при котором
(n+1+k)-ый член совпадает с (n+1)-ым.
l := 0; r := 1;
{инвариант: r/n = результат отбрасывания l знаков в 1/n}
while l <> n+1 do begin
| r := (10 * r) mod n;
| l := l + 1;
end;
c := r;
{c = (n+1)-ый член последовательности остатков}
r := (10 * r) mod n;
k := 0;
{r = (n+k+1)-ый член последовательности остатков}
while r <> c do begin
| r := (10 * r) mod n;
| k := k + 1;
end;
1.1.32 (Э. Дейкстра). Функция f с натуральными аргументами
и значениями определена так: f(0) = 0, f(1) = 1, f (2n) = f(n),
f (2n+1) = f (n) + f (n+1). Составить программу вычисления f (n)
по заданному n, требующую порядка log n операций.
Решение.
k := n; a := 1; b := 0;
{инвариант: 0 <= k, f (n) = a * f(k) + b * f (k+1)}
while k <> 0 do begin
| if k mod 2 = 0 then begin
| | l := k div 2;
| | {k = 2l, f(k) = f(l), f (k+1) = f (2l+1) = f(l) + f(l+1),
| | f (n) = a*f(k) + b*f(k+1) = (a+b)*f(l) + b*f(l+1)}
| | a := a + b; k := l;
| end else begin
| | l := k div 2;
| | {k = 2l + 1, f(k) = f(l) + f(l+1),
| | f(k+1) = f(2l+2) = f(l+1),
| | f(n) = a*f(k) + b*f(k+1) = a*f(l) + (a+b)*f(l+1)}
| | b := a + b; k := l;
| end;
end;
{k = 0, f(n) = a * f(0) + b * f(1) = b, что и требовалось}
1.1.33. То же, если f(0) = 13, f(1) = 17, а f(2n) =
43 f(n) + 57 f(n+1), f(2n+1) = 91 f(n) + 179 f(n+1) при n>=1.
Указание. Хранить коэффициенты в выражении f(n) через три
соседних числа.
1.1.34. Даны натуральные числа а и b, причем b > 0. Найти
частное и остаток при делении а на b, оперируя лишь с целыми
числами и не используя операции div и mod, за исключением деле-
ния на 2 четных чисел; число шагов не должно превосходить
C1*log(a/b) + C2 для некоторых констант C1, C2.
Решение.
b1 := b;
while b1 <= a do begin
| b1 := b1 * 2;
end;
{b1 > a, b1 = b * (некоторая степень 2)}
q:=0; r:=a;
{инвариант: q, r - частное и остаток при делении a на b1,
b1 = b * (некоторая степень 2)}
while b1 <> b do begin
| b1 := b1 div 2 ; q := q * 2;
| { a = b1 * q + r, 0 <= r, r < 2 * b1}
| if r >= b1 then begin
| | r := r - b1;
| | q := q + 1;
| end;
end;
{q, r - частное и остаток при делении a на b}
1.2. Массивы.
В следующих задачах переменные x, y, z предполагаются опи-
санными как array [1..n] of integer (n - некоторое натуральное
число, большее 0), если иное не оговорено явно.
1.2.1. Заполнить массив x нулями. (Это означает, что нужно
составить фрагмент программы, после выполнения которого все зна-
чения x[1]..x[n] равнялись бы нулю, независимо от начального
значения переменной x.)
Решение.
i := 0;
{инвариант: первые i значений x[1]..x[i] равны 0}
while i <> n do begin
| i := i + 1;
| {x[1]..x[i-1] = 0}
| x[i] := 0;
end;
1.2.2. Подсчитать количество нулей в массиве x. (Составить
фрагмент программы, не меняющий значения x, после исполнения ко-
торого значение некоторой целой переменной k равнялось бы числу
нулей среди компонент массива x.)
Решение.
...
{инвариант: k= число нулей среди x[1]...x[i] }
...
1.2.3. Не используя оператора присваивания для массивов,
составить фрагмент программы, эквивалентный оператору x:=y.
Решение.
i := 0;
{инвариант: значение y не изменилось, x[l] = y[l] при l <= i}
while i <> n do begin
| i := i + 1;
| x[i] := y[i];
end;
1.2.4. Найти максимум из x[1]..x[n].
Решение.
i := 1; max := x[1];
{инвариант: max = максимум из x[1]..x[i]}
while i <> n do begin
| i := i + 1;
| {max = максимум из x[1]..x[i-1]}
| if x[i] > max then begin
| | max := x[i];
| end;
end;
1.2.5. Дан массив x: array [1..n] of integer, причём x[1]
<= x[2] <= ... <= x[n]. Найти количество различных чисел среди
элементов этого массива.
Решение. (1 вариант)
i := 1; k := 1;
{инвариант: k - количество различных чисел среди x[1]..x[i]}
while i <> n do begin
| i := i + 1;
| if x[i] <> x[i-1] then begin
| | k := k + 1;
| end;
end;
(2 вариант) Искомое число на 1 больше количества тех чисел
i из 1..n-1, для которых x[i] <> x[i+1].
k := 1;
for i := 1 to n-1 do begin
| if x[i]<> x[i+1] then begin
| | k := k + 1;
| end;
end;
1.2.6. (Сообщил А.Л.Брудно.) Прямоугольное поле m на n раз-
бито на mn квадратных клеток. Некоторые клетки покрашены в чер-
ный цвет. Известно, что все черные клетки могут быть разбиты на
несколько непересекающихся и не имеющих общих вершин черных пря-
моугольников. Считая, что цвета клеток даны в виде массива типа
array [1..m] of array [1..n] of boolean;
подсчитать число черных прямоугольников, о которых шла речь.
Число действий должно быть порядка m*n.
Решение. Число прямоугольников равно числу их левых верхних
углов. Является ли клетка верхним углом, можно узнать, посмотрев
на ее цвет, а также цвет верхнего и левого соседей. (Не за-
будьте, что их может не быть, если клетка с краю.)
1.2.7. Дан массив x: array [1..n] of integer. Найти коли-
чество различных чисел среди элементов этого массива. (Число
действий должно быть порядка n*n.)
1.2.8. Та же задача, если требуется, чтобы количество
действий было порядка n* log n. (Указание. Смотри главу о сорти-
ровке.)
1.2.9. Та же задача, если известно, что все элементы масси-
ва - числа от 1 до k и число действий должно быть порядка n+k.
1.2.10. Дан массив x [1]..x[n] целых чисел. Не используя
других массивов, переставить элементы массива в обратном поряд-
ке.
Решение. Числа x [i] и x [n+1-i] нужно поменять местами для
всех i, для которых i < n + 1 - i, т.е. 2*i < n + 1 <=> 2*i <= n
<=> i <= n div 2:
for i := 1 to n div 2 do begin
| ...обменять x [i] и x [n+1-i];
end;
1.2.11. (из книги Д.Гриса) Дан массив целых чисел
x[1]..x[m+n], рассматриваемый как соединение двух его отрезков:
начала x[1]..x[m] длины m и конца x[m+1]..x[m+n] длины n. Не ис-
пользуя дополнительных массивов, переставить начало и конец.
(Число действий порядка m+n.)
Решение. (1 вариант). Перевернем (расположим в обратном по-
рядке) отдельно начало и конец массива, а затем перевернем весь
массив как единое целое.
(2 вариант, А.Г.Кушниренко). Рассматривая массив записанным
по кругу, видим, что требуемое действие - поворот круга. Как из-
вестно, поворот есть композиция двух осевых симметрий.
(3 вариант). Рассмотрим более общую задачу - обмен двух
участков массива x[p+1]..x[q] и x[q+1]..x[s]. Предположим, что
длина левого участка (назовем его A) не больше длины правого
(назовем его B). Выделим в B начало той же длины, что и A, назо-
вем его B1, а остаток B2. (Так что B = B1 + B2, если обозначать
плюсом приписывание массивов друг к другу.) Нам надо из A + B1 +
B2 получить B1 + B2 + A. Меняя местами участки A и B1 - они име-
ют одинаковую длину, и сделать это легко,- получаем B1 + A + B2,
и осталось поменять местами A и B2. Тем самым мы свели дело к
перестановке двух отрзков меньшей длины. Итак, получаем такую
схему программы:
p := 0; q := m; r := m + n;
{инвариант: осталось переставить x[p+1]..x[q], x[q+1]..x[s]}
while (p <> q) and (q <> s) do begin
| {оба участка непусты}
| if (q - p) <= (s - q) then begin
| | ..переставить x[p+1]..x[q] и x[q+1]..x[q+(q-p)]
| | pnew := q; qnew := q + (q - p);
| | p := pnew; q := qnew;
| end else begin
| | ..переставить x[q-(r-q)+1]..x[q] и x[q+1]..x[r]
| | qnew := q - (r - q); rnew := q;
| | q := qnew; r := rnew;
| end;
end;
Оценка времени работы: на очередном шаге оставшийся для обработ-
ки участок становится короче на длину A; число действий при этом
также пропорционально длине A.
1.2.12. Коэффициенты многочлена хранятся в массиве a: array
[0..n] of integer (n - натуральное число, степень многочлена).
Вычислить значение этого многочлена в точке x (т. е. a[n]*(x в
степени n)+...+a[1]*x+a[0]).
Решение. (Описываемый алгоритм называется схемой Горнера.)
k := 0; y := a[n];
{инвариант: 0 <= k <= n,
y= a[n]*(x в степени k)+...+a[n-1]*(x в степени k-1)+...+
+ a[n-k]*(x в степени 0)}
while k<>n do begin
| k := k + 1;
| y := y * x + a [n - k];
end;
1.2.13. (Для знакомых с основами анализа. Сообщил А.Г.Куш-
ниренко.) Дополнить алгоритм вычисления значения многочлена в
заданной точке по схеме Горнера вычислением значения его произ-
водной в той же точке.
Решение. Добавление нового коэффициента соответствует пере-
ходу от многочлена P(x) к многочлену P(x)*x + c. Его производная
в точке x равна P'(x)*x + P(x). (Это решение обладает забавным
свойством: не надо знать заранее степень многочлена. Если требо-
вать выполнения этого условия, да еще просить вычислять только
значение производной, не упоминая о самом многочлене, получается
не такая уж простая задача.)
1.2.14. В массивах
a:array [0..k] of integer и b: array [0..l] of integer
хранятся коэффициенты двух многочленов степеней k и l. Помес-
тить в массив c: array [0..m] of integer коэффициенты их произ-
ведения. (Числа k, l, m - натуральные, m = k + l; элемент мас-
сива с индексом i содержит коэффициент при x в степени i.)
Решение.
for i:=0 to m do begin
| c[i]:=0;
end;
for i:=0 to k do begin
| for j:=0 to l do begin
| | c[i+j] := c[i+j] + a[i]*b[j];
| end;
end;
1.2.15. Предложенный выше алгоритм перемножения многочленов
требует порядка n*n действий для перемножения двух многочленов
степени n. Придумать более эффективный (для больших n) алгоритм,
которому достаточно порядка (n в степени (log 4)/(log 3))
действий.
Указание. Представим себе, что надо перемножить два многоч-
лена степени 2k. Их можно представить в виде
A(x)*x^k + B(x) и C(x)*x^k + D(x)
(здесь x^k обозначает x в степени k). Произведение их равно
A(x)C(x)*x^{2k} + (A(x)D(x)+B(x)C(x))*x^k + B(x)D(x)
Естественный способ вычисления AC, AD+BC, BD требует четырех ум-
ножений многочленов степени k, однако их количество можно сокра-
тить до трех с помощью такой хитрости: вычислить AC, BD и
(A+B)(C+D), а затем заметить, что AD+BC=(A+B)(C+D)-AC-BD.
1.2.16. Даны два возрастающих массива x: array [1..k] of
integer и y: array [1..l] of integer. Найти количество общих
элементов в этих массивах (т. е. количество тех целых t, для ко-
торых t = x[i] = y[j] для некоторых i и j). (Число действий по-
рядка k+l.)
Решение.
k1:=0; l1:=0; n:=0;
{инвариант: 0<=k1<=k; 0<=l1<=l; искомый ответ = n + количество
общих элементов в x[k1+1]...x[k] и y[l1+1]..y[l]}
while (k1 <> k) and (l1 <> l) do begin
| if x[k1+1] < y[l1+1] then begin
| | k1 := k1 + 1;
| end else if x[k1+1] > y[l1+1] then begin
| | l1 := l1 + 1;
| end else begin {x[k1+1] = y[l1+1]}
| | k1 := k1 + 1;
| | l1 := l1 + 1;
| | n := n + 1;
| end;
end;
{k1 = k или l1 = l, поэтому одно из множеств, упомянутых в
инварианте, пусто, а n равно искомому ответу}
Замечание. В третьей альтернативе достаточно было бы увеличивать
одну из переменных k1, l1; вторая добавлена для симметрии.
1.2.17. Решить предыдущую задачу, если известно лишь, что
x[1] <= ... <= x[k] и y[1] <= ... <= y[l] (возрастание заменено
неубыванием).
Решение. Условие возрастания было использовано в третьей
альтернативе выбора: сдвинув k1 и l1 на 1, мы тем самым уменьша-
ли на 1 количество общих элементов в x[k1+1]...x[k] и
x[l1+1]...x[l]. Теперь это придется делать сложнее.
...
end else begin {x[k1+1] = y[l1+1]}
| t := x [k1+1];
| while (k1<k) and (x[k1+1]=t) do begin
| | k1 := k1 + 1;
| end;
| while (l1<l) and (x[l1+1]=t) do begin
| | l1 := l1 + 1;
| end;
end;
Замечание. Эта программа имеет дефект: при проверке условия
(l1<l) and (x[l1+1]=t)
(или второго, аналогичного) при ложной первой скобке вторая ока-
жется бессмысленной (индекс выйдет за границы массива) и возник-
нет ошибка. Некоторые версии паскаля, вычисляя (A and B), снача-
ла вычисляют A и при ложном A не вычисляют B. (Так ведет себя,
например, система Turbo Pascal, 5.0 - но не 3.0.) Тогда описан-
ная ошибка не возникнет.
Но если мы не хотим полагаться на такое свойство использу-
емой нами реализации паскаля (не предусмотренное его автором
Н.Виртом), то можно поступить так. Введем дополнительную пере-
менную b: boolean и напишем:
if k1 < k then b := (x[k1+1]=t) else b:=false;
{b = (k1<k) and (x[k1+1] = t}
while b do begin
| k1:=k1+1;
| if k1 < k then b := (x[k1+1]=t) else b:=false;
end;
Можно также сделать иначе:
end else begin {x[k1+1] = y[l1+1]}
| if k1 + 1 = k then begin
| | k1 := k1 + 1;
| | n := n + 1;
| end else if x[k1+1] = x [k1+2] then begin
| | k1 := k1 + 1;
| end else begin
| | k1 := k1 + 1;
| | n := n + 1;
| end;
end;
Так будет короче, хотя менее симметрично.
Наконец, можно увеличить размер массива в его описании,
включив в него фиктивные элементы.
1.2.18. Даны два неубывающих массива x: array [1..k] of
integer и y: array [1..l] of integer. Найти число различных эле-
ментов среди x[1],...,x[k], y[1],...,y[l]. (Число действий по-
рядка k+l.)
1.2.19. Даны два массива x[1] <= ... <= x[k] и y[1] <= ...
<= y[l]. "Соединить" их в массив z[1] <= ... <= z[m] (m = k+l;
каждый элемент должен входить в массив z столько раз, сколько
раз он входит в общей сложности в массивы x и y). Число действий
порядка m.
Решение.
k1 := 0; l1 := 0;
{инвариант: ответ получится, если к z[1]..z[k1+l1] приписать
справа соединение массивов x[k1+1]..x[k] и y[l1+1]..y[l]}
while (k1 <> k) or (l1 <> l) do begin
| if k1 = k then begin
| | {l1 < l}
| | l1 := l1 + 1;
| | z[k1+l1] := y[l1];
| end else if l1 = l then begin
| | {k1 < k}
| | k1 := k1 + 1;
| | z[k1+l1] := x[k1];
| end else if x[k1+1] <= y[l1+1] then begin
| | k1 := k1 + 1;
| | z[k1+l1] := x[k1];
| end else if x[k1+1] >= y[l1+1] then begin
| | l1 := l1 + 1;
| | z[k1+l1] := y[l1];
| end else begin
| | { такого не бывает }
| end;
end;
{k1 = k, l1 = l, массивы соединены}
Этот процесс можно пояснить так. Пусть у нас есть две стопки
карточек, отсортированных по алфавиту. Мы соединяем их в одну
стопку, выбирая каждый раз ту из верхних карточек обеих стопок,
которая идет раньше в алфавитном порядке.
1.2.20. Даны два массива x[1] <= ... <= x[k] и y[1] <= ...
<= y[l]. Найти их "пересечение", т.е. массив z[1] <= ... <=
z[m], содержащий их общие элементы, причем кратность каждого
элемента в массиве z равняется минимуму из его кратностей в мас-
сивах x и y. Число действий порядка k+l.
1.2.21. Даны два массива x[1]<=...<=x[k] и y[1]<=...<=y[l]
и число q. Найти сумму вида x[i]+y[j], наиболее близкую к числу
q. (Число действий порядка k+l, дополнительная память - фиксиро-
ванное число целых переменных, сами массивы менять не разрешает-
ся.)
Указание. Надо найти минимальное расстояние между элемента-
ми x[1]<=...<=x[k] и q-y[l]<=..<=q-y[1], что нетрудно сделать в
ходе их слияния в один (воображаемый) массив.
1.2.22. (из книги Д.Гриса) Некоторое число содержится в
каждом из трех целочисленных неубывающих массивов x[1] <= ... <=
x[p], y[1] <= ... <= y[q], z[1] <= ... <= z[r]. Найти одно из
таких чисел. Число действий должно быть порядка p + q + r.
Решение.
p1:=1; q1=1; r1:=1;
{инвариант: x[p1]..x[p], y[q1]..y[q], z[r1]..z[r]
содержат общий элемент }
while not ((x[p1]=y[q1]) and (y[q1]=z[r1])) do begin
| if x[p1]<y[q1] then begin
| | p1:=p1+1;
| end else if y[q1]<z[r1] then begin
| | q1:=q1+1;
| end else if z[r1]<x[p1] then begin
| | r1:=r1+1;
| end else begin
| | { так не бывает }
| end;
end;
{x[p1] = y[q1] = z[r1]}
writeln (x[p1]);
1.2.23. Та же задача, только заранее не известно, существу-
ет ли общий элемент в трех неубывающих массивах и требуется это
выяснить (и найти один из общих элементов, если они есть).
1.2.24. Элементами массива a[1..n] являются неубывающие
массивы [1..m] целых чисел (a: array [1..n] of array [1..m] of
integer; a[1][1] <= ... <= a[1][m], ..., a[n][1] <= ... <=
a[n][m]). Известно, что существует число, входящее во все масси-
вы a[i] (существует такое х, что для всякого i из [1..n]
найдётся j из [1..m], для которого a[i][j]=x). Найти одно из та-
ких чисел х.
Решение. Введем массив b[1]..b[n], отмечающий начало "оста-
ющейся части" массивов a[1]..a[n].
for k:=1 to n do begin
| b[k]:=1;
end;
eq := true;
for k := 2 to n do begin
| eq := eq and (a[1][b[1]] = a[k][b[k]]);
end;
{инвариант: оставшиеся части пересекаются, т.е. существует
такое х, что для всякого i из [1..n] найдётся j из [1..m],
не меньшее b[i], для которого a[i][j] = х; eq <=> первые
элементы оставшихся частей равны}
while not eq do begin
| s := 1; k := 1;
| {a[s][b[s]] - минимальное среди a[1][b[1]]..a[k][b[k]]}
| while k <> n do begin
| | k := k + 1;
| | if a[k][b[k]] < a[s][b[s]] then begin
| | | s := k;
| | end;
| end;
| {a[s][b[s]] - минимальное среди a[1][b[1]]..a[n][b[n]]}
| b [s] := b [s] + 1;
| for k := 2 to n do begin
| | eq := eq and (a[1][b[1]] = a[k][b[k]]);
| end;
end;
writeln (a[1][b[1]]);
1.2.25. Приведенное решение предыдущей задачи требует по-
рядка m*n*n действий. Придумать способ с числом действий порядка
m*n.
Указание. Придется пожертвовать симметрией и выбрать одну
из строк за основную. Двигаясь по основной строке, поддерживаем
такое соотношение: во всех остальных строках отмечен макси-
мальный элемент, не превосходящий текущего элемента основной
строки.
1.2.26. (Двоичный поиск) Дана последовательность x[1] <=
... <= x[n] целых чисел и число a. Выяснить, содержится ли a в
этой последовательности, т. е. существует ли i из 1..n, для ко-
торого x[i]=a. (Количество действий порядка log n.)
Решение. (Предполагаем, что n > 0.)
l := 1; r := n+1;
{если a есть вообще, то есть и среди x[l]..x[r-1], r > l}
while r - l <> 1 do begin
| m := l + (r-l) div 2 ;
| {l < m < r }
| if x[m] <= a then begin
| | l := m;
| end else begin {x[m] > a}
| | r := m;
| end;
end;
(Обратите внимание, что и в случае x[m] = a инвариант не наруша-
ется.)
Каждый раз r-l уменьшается примерно вдвое, откуда и вытека-
ет требуемая оценка числа действий.
Замечание.
l + (r-l) div 2 = (2l + (r-l)) div 2 = (r+l) div 2.
1.2.27. (Из книги Д.Гриса) Дан массив x: array [1..n] of
array [1..m] of integer, упорядоченный по "строкам" и по
"столбцам":
x[i][j] <= x[i+1][j],
x[i][j] <= x[i][j+1]
и число a. Требуется выяснить, встречается ли a среди x[i][j].
Решение. Представляя себе массив a как матрицу (прямо-
угольник, заполненный числами), мы выберем прямоугольник, в ко-
тором только и может содержаться a, и будем его сужать. Прямо-
угольник этот будет содержать x[i][j] при 1<=i<=l и k<=j<=m.
1 k m
-----------------------------------
1| |***********|
| |***********|
| |***********|
l| |***********|
|---------------------------------|
| |
n| |
-----------------------------------
(допускаются пустые прямоугольники при l = 0 и k = m+1).
l:=n; k:=1;
{l>=0, k<=m+1, если a есть, то в описанном прямоугольнике}
while (l > 0) and (k < m+1) and (x[l][k] <> a) do begin
| if x[l][k] < a then begin
| | k := k + 1; {левый столбец не содержит a, удаляем его}
| end else begin {x[l][k] > a}
| | l := l - 1; {нижняя строка не содержит a, удаляем ее}
| end;
end;
{x[l][k] = a или прямоугольник пуст }
answer:= (l > 0) and (k < m+1) ;
Замечание. Здесь та же ошибка: x[l][k] может оказаться не-
определенным. (Её исправление предоставляется читателю.)
1.2.28. (Московская олимпиада по программированию) Дан не-
убывающий массив положительных целых чисел a[1] <= a[2] <=...<=
a[n]. Найти наименьшее целое положительное число, не представи-
мое в виде суммы нескольких элементов этого массива (каждый эле-
мент массива может быть использован не более одного раза). Число
действий порядка n.
Решение. Пусть известно, что числа, представимые в виде
суммы элементов a[1],...,a[k], заполняют отрезок от 1 до некото-
рого N. Если a[k+1] > N+1, то N+1 и будет минимальным числом, не
представимым в виде суммы элементов массива a[1]..a[n]. Если же
a[k+1] <= N+1, то числа, представимые в виде суммы элементов
a[1]..a[k+1], заполняют отрезок от 1 до N+a[k+1].
k := 0; N := 0;
{инвариант: числа, представимые в виде суммы элементов массива
a[1]..a[k], заполняют отрезок 1..N}
while (k <> n) and (a[k+1] <= N+1) do begin
| N := N + a[k+1];
| k := k + 1;
end;
{(k = n) или (a[k+1] > N+1); в обоих случаях ответ N+1}
writeln (N+1);
(Снова тот же дефект: в условии цикла при ложном первом условии
второе не определено.)
1.2.29. (Для знакомых с основами алгебры) В целочисленном
массиве a[1]..a[n] хранится перестановка чисел 1..n (каждое из
чисел встречается по одному разу).
(а) Определить четность перестановки. (И в (а), и в (б) ко-
личество действий порядка n.)
(б) Не используя других массивов, заменить перестановку на
обратную (если до работы программы a[i]=j, то после должно быть
a[j]=i).
Указание. (а) Четность перестановки определяется коли-
чеством циклов. Чтобы отличать уже пройденные циклы, у их эле-
ментов можно, например, менять знак. (б) Обращение производим по
циклам.
1.2.30. Дан массив a[1..n] и число b. Переставить числа в
массиве таким образом, чтобы слева от некоторой границы стояли
числа, меньшие или равные b, а справа от границы - большие или
равные b.
Решение.
l:=0; r:=n;
{инвариант: a[1]..a[l]<=b; a[r+1]..a[n]>=b}
while l <> r do begin
| if a[l+1] <= b then begin
| | l:=l+1;
| end else if a[r] >=b then begin
| | r:=r-1;
| end else begin {a[l+1]>b; a[r]<b}
| | поменять a[l+1] и a[r]
| | l:=l+1; r:+r-1;
| end;
end;
1.2.31. Та же задача, но требуется, чтобы сначала шли эле-
менты, меньшие b, затем равные b, а лишь затем большие b.
Решение. Теперь потребуются три границы: до первой будут
идти элементы, меньшие b, от первой до второй - равные b, затем
неизвестно какие до третьей, а после третьей - большие b. (Более
симметричное решение использовало бы четыре границы, но вряд ли
игра стоит свеч.) В качестве очередного рассматриваемого элемен-
та берем элемент справа от средней границы.
l:=0; m:=0; r:=n;
{инвариант: a[1..l]<b; a[l+1..m]=b; a[r+1]..a[n]>b}
while m <> r do begin
| if a[m+1]=b then begin
| | m:=m+1;
| end else if a[m+1]>b then begin
| | обменять a[m+1] и a[r]
| | r:=r-1;
| end else begin {a[m+1]<b}
| | обменять a[m+1] и a[l+1]
| | l:=l+1; m:=m+1;
end;
1.2.32. (вариант предыдущей задачи, названный в книге
Дейкстры задачей о голландском флаге) В массиве стоят числа 0, 1
и 2. Переставить их в порядке возрастания, если единственной
разрешенной операцией (помимо чтения) над массивом является пе-
рестановка двух элементов.
1.2.33. Дан массив a[1]..a[n] и число m<=n. Для каждой
группы из m стоящих рядом членов (таких групп, очевидно, n-m+1)
вычислить ее сумму. Общее число действий должно быть порядка n.
Решение. Переходя от группы к соседней, мы добавляем один
член, а другой вычитаем.
1.2.34. Дана квадратная таблица a[1..n][1..n] и число m<=n.
Для каждого квадрата размера m на m в этой таблице вычислить
сумму стоящих в нем чисел. Общее число действий должно быть по-
рядка n*n.
Решение. Сначала для каждого горизонтального прямоугольника
размером n на 1 вычисляем сумму стоящих в нем чисел. (При сдвиге
такого прямоугольника по горизонтали на 1 нужно добавить одно
число и одно вычесть.) Затем, используя эти суммы, вычисляем
суммы в квадратах. (При сдвиге квадрата по вертикали добавляется
полоска, а другая полоска убавляется.)
1.3. Индуктивные функции (по А.Г.Кушниренко).
Пусть M - некоторое множество. Функция f, аргументами кото-
рой являются последовательности элементов множества M, а значе-
ниями - элементы некоторого множества N, называется индуктивной,
если ее значение на последовательности x[1]..x[n] можно восста-
новить по ее значению на последовательности x[1]..x[n-1] и по
x[n], т. е. если существует функция F из N*M (множество пар
<n,m>, где n - элемент множества N, а m - элемент множества M) в
N, для которой
f(<x[1],...,x[n]>) = F (f (<x[1],...,x[n-1]>), x[n]).
Схема алгоритма вычисления индуктивной функции:
k := 0; f := f0;
{инвариант: f - значение функции на <x[1],...,x[k]>}
while k<> n do begin
| k := k + 1;
| f := F (f, x[k]);
end;
Здесь f0 - значение функции на пустой последовательности
(последовательности длины 0). Если функция f определена только
на непустых последовательностях, то первая строка заменяется на
"k := 1; f := f (<x[1]>);".
Индуктивные расширения.
Если функция f не является индуктивной, полезно искать ее
индуктивное расширение - такую индуктивную функцию g, значения
которой определяют значения f (это значит, что существует такая
функция t, что f (<x[1]...x[n]>) = t (g (<x[1]...x[n]>)) при
всех <x[1]...x[n]>). Можно доказать, что среди всех индуктивных
расширений существует минимальное расширение F (минимальность
означает, что для любого индуктивного расширения g значения F
определяются значениями g).
1.3.1. Указать индуктивные расширения для следующих
функций:
а) среднее арифметическое последовательности вещественных
чисел;
б) число элементов последовательности целых чисел, равных ее
максимальному элементу;
в) второй по величине элемент последовательности целых чисел
(тот, который будет вторым, если переставить члены в неубывающем
порядке);
г) максимальное число идущих подряд одинаковых элементов;
д) максимальная длина монотонного (неубывающего или невоз-
растающего) участка из идущих подряд элементов в последова-
тельности целых чисел;
е) число групп из единиц, разделенных нулями (в последова-
тельности нулей и единиц).
Решение.
а) <сумма всех членов последовательности; длина>;
б) <число элементов, равных максимальному; значение макси-
мального>;
в) <наибольший элемент последовательности; второй по величине
элемент>;
г) <максимальное число идущих подряд одинаковых элементов; чис-
ло идущих подряд одинаковых элементов в конце последова-
тельности; последний элемент последовательности>;
д) <максимальная длина монотонного участка; максимальная длина
неубывающего участка в конце последовательности; макси-
мальная длина невозрастающего участка в конце последова-
тельности; последний член последовательности>;
е) <число групп из единиц, последний член>.
1.3.2. (Сообщил Д.Варсонофьев.) Даны две последовательности
x[1]..x[n] и y[1]..y[k] целых чисел. Выяснить, является ли вто-
рая последовательность подпоследовательностью первой, т. е. мож-
но ли из первой вычеркнуть некоторые члены так, чтобы осталась
вторая. Число действий порядка n+k.
Решение. (1 вариант) Будем сводить задачу к задаче
меньшего размера.
n1:=n;
k1:=k;
{инвариант: искомый ответ <=> возможность из x[1]..x[n1] по-
лучить y[1]..y[k1] }
while (n1 > 0) and (k1 > 0) do begin
| if x[n1] = y[k1] then begin
| | n1 := n1 - 1;
| | k1 := k1 - 1;
| end else begin
| | n1 := n1 - 1;
| end;
end;
{n1 = 0 или k1 = 0; если k1 = 0, то ответ - да, если k1 <> 0
(и n1 = 0), то ответ - нет}
answer := (k1 = 0);
Мы использовали то, что если x[n1] = y[k1] и y[1]..y[k1] -
подпоследовательность x[1]..x[n1], то y[1]..y[k1-1] - подпосле-
довательность x[1]..x[n1-1].
(2 вариант) Функция x[1]..x[n1] |-> (максимальное k1, для
которого y[1]..y[k1] есть подпоследовательность x[1]..x[n1]) ин-
дуктивна.
1.3.3. Даны две последовательности x[1]..x[n] и y[1]..y[k]
целых чисел. Найти максимальную длину последовательности, явля-
ющейся подпоследовательностью обеих последовательностей. Коли-
чество операций порядка n*k.
Решение (сообщено М.Н.Вайнцвайгом, А.М.Диментманом). Обоз-
начим через f(n1,k1) максимальную длину общей подпоследова-
тельности последовательностей x[1]..x[n1] и y[1]..y[k1]. Тогда
x[n1] <> y[k1] => f(n1,k1) = max (f(n1,k1-1), f(n1-1,k1));
x[n1] = y[k1] => f(n1,k1) = max (f(n1,k1-1), f(n1-1,k1),
f(n1-1,k1-1)+1 );
(Поскольку f(n1-1,k1-1)+1 >= f(n1,k1-1), f(n1-1,k1), во втором
случае максимум трех чисел можно заменить на третье из них.)
Поэтому можно заполнять таблицу значений функции f, имеющую
размер n*k. Можно обойтись и памятью порядка k (или n), если ин-
дуктивно (по n1) выписать <f(n1,0), ..., f(n1,k)> (как функция
от n1 этот набор индуктивен).
1.3.4 (из книги Д.Гриса) Дана последовательность целых чи-
сел x[1],..., x[n]. Найти максимальную длину ее возрастающей
подпоследовательности (число действий порядка n*log(n)).
Решение. Искомая функция не индуктивна, но имеет следующее
индуктивное расширение: в него входит помимо максимальной длины
возрастающей подпоследовательности (обозначим ее k) также и чис-
ла u[1],...,u[k], где u[i] = (минимальный из последних членов
возрастающих подпоследовательностей длины i). Очевидно, u[1] <=
... <= u[k]. При добавлении нового члена x значения u и k кор-
ректируются.
n1 := 1; k := 1; u[1] := x[1];
{инвариант: k и u соответствуют данному выше описанию}
while n1 <> n do begin
| n1 := n1 + 1;
| ...
| {i - наибольшее из тех чисел отрезка 1..k, для кото-
| рых u[i] < x[n1]; если таких нет, то i=0 }
| if i = k then begin
| | k := k + 1;
| | u[k+1] := x[n1];
| end else begin {i < k, u[i] < x[n1] <= u[i+1] }
| | u[i+1] := x[n1];
| end;
end;
Фрагмент ... использует идею двоичного поиска; в инвариан-
те условно полагаем u[0] равным минус бесконечности, а u[k+1]
- плюс бесконечности; наша цель: u[i] < x[n1] <= u[i+1].
i:=0; j:=k+1;
{u[i] < x[n1] <= u[j], j > i}
while (j - i) <> 1 do begin
| s := i + (j-i) div 2; {i < s < j}
| if u[s] >= x[n1] then begin
| | j := s;
| end else begin {u[s] < x[n1]}
| | i := s;
| end;
end;
{u[i] < x[n1] <= u[j], j-i = 1}
Замечание. Более простое (но не минимальное) индуктивное
расширение получится, если для каждого i хранить максимальную
длину возрастающей подпоследовательности, оканчивающейся на
x[i]. Это расширение приводит к алгоритму с числом действий по-
рядка n*n.
1.3.5. Какие изменения нужно внести в решение предыдущей
задачи, если надо искать максимальную неубывающую последова-
тельность?
[ Оглавление ]
[ Далее ]
