全排列的非遞歸算法


還有一篇也很好的文章,講了字典序和遞歸分治兩種算法:http://blog.csdn.net/jopus/article/details/18998403

1.全排列的定義和公式:

從n個數中選取m(m<=n)個數按照一定的順序進行排成一個列,叫作從n個元素中取m個元素的一個排列。由排列的定義,顯然不同的順序是一個不同的排列。從n個元素中取m個元素的所有排列的個數,稱為排列數。從n個元素取出n個元素的一個排列,稱為一個全排列。全排列的排列數公式為n!,通過乘法原理可以得到。

2.時間復雜度:

n個數(字符、對象)的全排列一共有n!種,所以全排列算法至少時間O(n!)的。如果要對全排列進行輸出,那么輸出的時間要O(nn!),因為每一個排列都有n個數據。所以實際上,全排列算法對大型的數據是無法處理的,而一般情況下也不會要求我們去遍歷一個大型數據的全排列。

3.列出全排列的初始思想:

解決一個算法問題,我比較習慣於從基本的想法做起,我們先回顧一下我們自己是如何寫一組數的全排列的:1,3,5,9(為了方便,下面我都用數進行全排列而不是字符)。 
【1,3,5,9】(第一個) 
首先保持第一個不變,對【3,5,9】進行全排列。 
同樣地,我們先保持3不變,對【5,9】進行全排列。 
保持5不變,對9對進行全排列,由於9只有一個,它的排列只有一種:9。 
故排列為【1,3,5,9】 
接下來5不能以5打頭了,5,9相互交換,得到 
【1,3,9,5】 
此時5,9的情況都寫完了,不能以3打頭了,得到 
1,5,3,9 
1,5,9,3 
1,9,3,5 
1,9,5,3 
這樣,我們就得到了1開頭的所有排列,這是我們一般的排列數生成的過程。再接着是以3、5、9打頭,得到全排列。

我們現在做這樣的一個假設,假設給定的一些序列中第一位都不相同,那么就可以認定說這些序列一定不是同一個序列,這是一個很顯然的問題。有了上面的這一條結論,我們就可以同理得到如果在第一位相同,可是第二位不同,那么在這些序列中也一定都不是同一個序列。 
那么,這個問題可以這樣來看。對 
T=x1,x2,x3,x4,x5,........xn1,xn 
我們獲得了在第一個位置上的所有情況之后(注:是所有的情況),對每一種情況,抽去序列T中的第一個位置,那么對於剩下的序列可以看成是一個全新的序列 
T1=x2,x3,x4,x5,........xn1,xn 
序列T1可以認為是與之前的序列毫無關聯了。同樣的,我們可以對這個T1進行與T相同的操作,直到T中只一個元素為止。這樣我們就獲得了所有的可能性。所以很顯然,這是一個遞歸算法。 
第一位的所有情況:無非是將x1與后面的所有數x2,x3,.......xn依次都交換一次

示意圖如下:

這里寫圖片描述


這里寫圖片描述


4.全排列的非去重遞歸算法

算法思路:全排列可以看做固定前i位,對第i+1位之后的再進行全排列,比如固定第一位,后面跟着n-1位的全排列。那么解決n-1位元素的全排列就能解決n位元素的全排列了,這樣的設計很容易就能用遞歸實現。

【附代碼段:】

 1 #include<iostream>
 2 using namespace std;
 3 int arr[5]={0,1,2,3,4};
 4 void swap(int x,int y)//用於交換數組的兩個數
 5 {
 6     int temp=arr[x];
 7     arr[x]=arr[y];
 8     arr[y]=temp;
 9 }
10 int resove(int n)//遞歸函數
11 {
12         if(n==5)//當嘗試對不存在的數組元素進行遞歸時,標明所有數已經排列完成,輸出。
13         {
14             for(int i=0;i<5;i++)
15             cout<<arr[i]; 
16             cout<<endl;
17             return 0;
18         }
19         for(int i=n;i<5;i++)//循環實現交換和之后的全排列  
20         {//i是從n開始 i=n;swap(n,i)相當於固定當前位置,在進行下一位的排列。
21             swap(n,i);
22             resove(n+1);
23             swap(n,i); 
24         }
25 
26 }
27 int main()
28 {
29     resove(0);
30 }

排列模板

 1 void permutation1(char* str,int sbegin,int send)    //全排列的非去重遞歸算法  
 2     {  
 3         if( sbegin == send) //當 sbegin = send時輸出  
 4         {  
 5             for(int i = 0;i <= send; i++)   //輸出一個排列  
 6                 cout << str[i];  
 7             cout << endl;  
 8         }  
 9         else  
10         {  
11             for(int i = sbegin; i <= send; i++) //循環實現交換和sbegin + 1之后的全排列  
12             {  
13                 swap(str[i],str[sbegin]);   //把第i個和第sbegin進行交換  
14                 permutation1(str,sbegin + 1,send);  
15                 swap(str[i],str[sbegin]);   //【注1】交換回來  
16             }  
17         }  
18     }  

【注1】swap(str[i],str[sbegin])//交換回來 
我們來仔細推敲一下循環體里的代碼,當我們對序列進行交換之后,就將交換后的序列除去第一個元素放入到下一次遞歸中去了,遞歸完成了再進行下一次循環。這是某一次循環程序所做的工作,這里有一個問題,那就是在進入到下一次循環時,序列是被改變了。可是,如果我們要假定第一位的所有可能性的話,那么,就必須是在建立在這些序列的初始狀態一致的情況下,所以每次交換后,要還原,確保初始狀態一致。


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