C语言【23道】经典面试题【下】

13.选择、插入、气泡排序

说明

选择排序（Selection sort）、插入排序（Insertion sort）与气泡排序（Bubble sort）这三个排序方式是初学排序所必须知道的三个基本排序方式，它们由于速度不快而不实用（平均与最快的时间复杂度都是O(n2)）， 然而它们排序的方式确是值得观察与探讨的。

解法
选择排序将要排序的对象分作两部份，一个是已排序的，一个是未排序的，从后端未排序部份选择一个最小值，并放入前端已排序部份的最后一个，例如：
排序前：70 80 31 37 10 1 48 60 33 80
[1] 80 31 37 10 70 48 60 33 80 选出最小值1
[1 10] 31 37 80 70 48 60 33 80 选出最小值10
[1 10 31] 37 80 70 48 60 33 80 选出最小值31
[1 10 31 33] 80 70 48 60 37 80 …
[1 10 31 33 37] 70 48 60 80 80 …
[1 10 31 33 37 48] 70 60 80 80 …
[1 10 31 33 37 48 60] 70 80 80 …
[1 10 31 33 37 48 60 70] 80 80 …
[1 10 31 33 37 48 60 70 80] 80 …
插入排序像是玩朴克一样，我们将牌分作两堆，每次从后面一堆的牌抽出最前端的牌，然后插入前面一堆牌的适当位置，例如：
排序前：92 77 67 8 6 84 55 85 43 67
[77 92] 67 8 6 84 55 85 43 67 将77插入92前
[67 77 92] 8 6 84 55 85 43 67 将67插入77前
[8 67 77 92] 6 84 55 85 43 67 将8插入67前
[6 8 67 77 92] 84 55 85 43 67 将6插入8前
[6 8 67 77 84 92] 55 85 43 67 将84插入92前
[6 8 55 67 77 84 92] 85 43 67 将55插入67前
[6 8 55 67 77 84 85 92] 43 67 …
[6 8 43 55 67 77 84 85 92] 67 …
[6 8 43 55 67 67 77 84 85 92] …
气泡排序法
顾名思义，就是排序时，最大的元素会如同气泡一样移至右端，其利用比较相邻元素的方法，将大的元素交换至右端，所以大的元素会不断的往右移动，直到适当的位置为止。基本的气泡排序法可以利用旗标的方式稍微减少一些比较的时间，当寻访完阵列后都没有发生任何的交换动作，表示排序已经完成，而无需再进行之后的回圈比较与交换动作，例如：
排序前：95 27 90 49 80 58 6 9 18 50
27 90 49 80 58 6 9 18 50 [95] 95浮出
27 49 80 58 6 9 18 50 [90 95] 90浮出
27 49 58 6 9 18 50 [80 90 95] 80浮出
27 49 6 9 18 50 [58 80 90 95] …
27 6 9 18 49 [50 58 80 90 95] …
6 9 18 27 [49 50 58 80 90 95] …
6 9 18 [27 49 50 58 80 90 95]
由于接下来不会再发生交换动作，排序提早结束.在上面的例子当中，还加入了一个观念，就是当进行至i与i+1时没有交换的动作，表示接下来的i+2至n已经排序完毕，这也增进了气泡排序的效率。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#define MAX 10
#define SWAP(x,y) {
      int t; t = x; x = y; y = t;}
void selsort(int[]); // 选择排序
void insort(int[]); // 插入排序
void bubsort(int[]); // 气泡排序
int main(void) {
    
int number[MAX] = {
    0};
int i;
srand(time(NULL));
printf("排序前：");
for(i = 0; i < MAX; i++) {
    
number[i] = rand() % 100;
printf("%d ", number[i]);
}
printf("\n请选择排序方式：\n");
printf("(1)选择排序\n(2)插入排序\n(3)气泡排序\n:");
scanf("%d", &i);
switch(i) {
    
case 1:
selsort(number); break;
case 2:
insort(number); break;
case 3:
bubsort(number); break;
default:
printf("选项错误(1..3)\n");
}
return 0;
}
void selsort(int number[]) {
    
int i, j, k, m;
for(i = 0; i < MAX-1; i++) {
    
m = i;
for(j = i+1; j < MAX; j++)
if(number[j] < number[m])
m = j;
if( i != m)
SWAP(number[i], number[m])
printf("第%d 次排序：", i+1);
for(k = 0; k < MAX; k++)
printf("%d ", number[k]);
printf("\n");
}
}
void insort(int number[]) {
    
int i, j, k, tmp;
for(j = 1; j < MAX; j++) {
    
tmp = number[j];
i = j - 1;
while(tmp < number[i]) {
    
number[i+1] = number[i];
i--;
if(i == -1)
break;
}
number[i+1] = tmp;
printf("第%d 次排序：", j);
for(k = 0; k < MAX; k++)
printf("%d ", number[k]);
printf("\n");
}
}
void bubsort(int number[]) {
    
int i, j, k, flag = 1;
for(i = 0; i < MAX-1 && flag == 1; i++) {
    
flag = 0;
for(j = 0; j < MAX-i-1; j++) {
    
if(number[j+1] < number[j]) {
    
SWAP(number[j+1], number[j]);
flag = 1;
}
}
printf("第%d 次排序：", i+1);
for(k = 0; k < MAX; k++)
printf("%d ", number[k]);
printf("\n");
}
}

14.排序法-改良的插入排序

说明

插入排序法由未排序的后半部前端取出一个值，插入已排序前半部的适当位置，概念简单但速度不快。排序要加快的基本原则之一，是让后一次的排序进行时，尽量利用前一次排序后的结果，以加快排序的速度，Shell排序法即是基于此一概念来改良插入排序法。

解法
Shell排序法最初是D.L Shell于1959所提出，假设要排序的元素有n个，则每次进行插入排序时并不是所有的元素同时进行时，而是取一段间隔。
Shell首先将间隔设定为n/2，然后跳跃进行插入排序，再来将间隔n/4，跳跃进行排序动作，再来间隔设定为n/8、n/16，直到间隔为1之后的最后一次排序终止，由于上一次的排序动作都会将固定间隔内的元素排序好，所以当间隔越来越小时，某些元素位于正确位置的机率越高，因此最后几次的排序动作将可以大幅减低。举个例子来说，假设有一未排序的数字如右：89 12 65 97 61 81 27 2 61 98数字的总数共有10个，所以第一次我们将间隔设定为10 / 2 = 5，此时我们对间隔为5的数字进行排序，如下所示：
画线连结的部份表示要一起进行排序的部份，再来将间隔设定为5 / 2的商，也就是2，则第二次的插入排序对象如下所示：再来间隔设定为2 / 2 = 1，此时就是单纯的插入排序了，由于大部份的元素都已大致排序过了，
所以最后一次的插入排序几乎没作什么排序动作了：
将间隔设定为n / 2是D.L Shell最初所提出，在教科书中使用这个间隔比较好说明，然而Shell排序法的关键在于间隔的选定，例如Sedgewick证明选用以下的间隔可以加快Shell排序法的速度：
其中4*(2j)2 + 3*(2j) + 1不可超过元素总数n值，使用上式找出j后代入4*(2j)2 + 3*(2j) + 1求得第一个间隔，然后将2j除以2代入求得第二个间隔，再来依此类推。后来还有人证明有其它的间隔选定法可以将Shell排序法的速度再加快；另外Shell排序法的概念也可以用来改良气泡排序法。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#define MAX 10
#define SWAP(x,y) {
      int t; t = x; x = y; y = t;}
void shellsort(int[]);
int main(void) {
    
int number[MAX] = {
    0};
int i;
srand(time(NULL));
printf("排序前：");
for(i = 0; i < MAX; i++) {
    
number[i] = rand() % 100;
printf("%d ", number[i]);
}
shellsort(number);
return 0;
}
void shellsort(int number[]) {
    
int i, j, k, gap, t;
gap = MAX / 2;
while(gap > 0) {
    
for(k = 0; k < gap; k++) {
    
for(i = k+gap; i < MAX; i+=gap) {
    
for(j = i - gap; j >= k; j-=gap) {
    
if(number[j] > number[j+gap]) {
    
SWAP(number[j], number[j+gap]);
}
else
break;
}
}
}
printf("\ngap = %d：", gap);
for(i = 0; i < MAX; i++)
printf("%d ", number[i]);
printf("\n");
gap /= 2;
}
}

15.排序法-改良的气泡排序

说明
请看看之前介绍过的气泡排序法：

for(i = 0; i < MAX-1 && flag == 1; i++) {
    
flag = 0;
for(j = 0; j < MAX-i-1; j++) {
    
if(number[j+1] < number[j]) {
    
SWAP(number[j+1], number[j]);
flag = 1;
}
}
}

事实上这个气泡排序法已经不是单纯的气泡排序了，它使用了旗标与右端左移两个方法来改进排序的效能，而Shaker排序法使用到后面这个观念进一步改良气泡排序法。
解法
在上面的气泡排序法中，交换的动作并不会一直进行至阵列的最后一个，而是会进行至MAX-i-1，所以排序的过程中，阵列右方排序好的元素会一直增加，使得左边排序的次数逐渐减少，如我们的例子所示：
排序前：95 27 90 49 80 58 6 9 18 50
27 90 49 80 58 6 9 18 50 [95] 95浮出
27 49 80 58 6 9 18 50 [90 95] 90浮出
27 49 58 6 9 18 50 [80 90 95] 80浮出
27 49 6 9 18 50 [58 80 90 95] …
27 6 9 18 49 [50 58 80 90 95] …
6 9 18 27 [49 50 58 80 90 95] …
6 9 18 [27 49 50 58 80 90 95]
方括号括住的部份表示已排序完毕，Shaker排序使用了这个概念，如果让左边的元素也具有这样的性质，让左右两边的元素都能先排序完成，如此未排序的元素会集中在中间，由于左右两边同时排序，中间未排序的部份将会很快的减少。方法就在于气泡排序的双向进行，先让气泡排序由左向右进行，再来让气泡排序由右往左进行，如此完成一次排序的动作，而您必须使用left与right两个旗标来记录左右两端已排序的元素位置。
一个排序的例子如下所示：
排序前：45 19 77 81 13 28 18 19 77 11
往右排序：19 45 77 13 28 18 19 77 11 [81]
向左排序：[11] 19 45 77 13 28 18 19 77 [81]
往右排序：[11] 19 45 13 28 18 19 [77 77 81]
向左排序：[11 13] 19 45 18 28 19 [77 77 81]
往右排序：[11 13] 19 18 28 19 [45 77 77 81]
向左排序：[11 13 18] 19 19 28 [45 77 77 81]
往右排序：[11 13 18] 19 19 [28 45 77 77 81]
向左排序：[11 13 18 19 19] [28 45 77 77 81]
如上所示，括号中表示左右两边已排序完成的部份，当left > right时，则排序完成。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#define MAX 10
#define SWAP(x,y) {
      int t; t = x; x = y; y = t;}
void shakersort(int[]);
int main(void) {
    
int number[MAX] = {
    0};
int i;
srand(time(NULL));

16.排序法-改良的选择排序

说明

选择排序法的概念简单，每次从未排序部份选一最小值，插入已排序部份的后端，其时间主要花费于在整个未排序部份寻找最小值，如果能让搜寻最小值的方式加快，选择排序法的速率也
就可以加快，Heap排序法让搜寻的路径由树根至最后一个树叶，而不是整个未排序部份，因而称之为改良的选择排序法。

解法
Heap排序法使用Heap Tree（堆积树），树是一种资料结构，而堆积树是一个二元树，也就是每一个父节点最多只有两个子节点（关于树的详细定义还请见资料结构书籍），堆积树的父节点若小于子节点，则称之为最小堆积（Min Heap），父节点若大于子节点，则称之为最大堆积（Max
Heap），而同一层的子节点则无需理会其大小关系，例如下面就是一个堆积树：
可以使用一维阵列来储存堆积树的所有元素与其顺序，为了计算方便，使用的起始索引是1而不是0，索引1是树根位置，如果左子节点储存在阵列中的索引为s，则其父节点的索引为s/2，而右子节点为s+1，就如上图所示，将上图的堆积树转换为一维阵列之后如下所示：

首先必须知道如何建立堆积树，加至堆积树的元素会先放置在最后一个树叶节点位置，然后检
查父节点是否小于子节点（最小堆积），将小的元素不断与父节点交换，直到满足堆积树的条件
为止，例如在上图的堆积加入一个元素12，则堆积树的调整方式如下所示：

建立好堆积树之后，树根一定是所有元素的最小值，您的目的就是：
将最小值取出然后调整树为堆积树
不断重复以上的步骤，就可以达到排序的效果，最小值的取出方式是将树根与最后一个树叶节点交换，然后切下树叶节点，重新调整树为堆积树，如下所示：
调整完毕后，树根节点又是最小值了，于是我们可以重覆这个步骤，再取出最小值，并调整树为堆积树，如下所示：

如此重覆步骤之后，由于使用一维阵列来储存堆积树，每一次将树叶与树根交换的动作就是将最小值放至后端的阵列，所以最后阵列就是变为已排序的状态。其实堆积在调整的过程中，就是一个选择的行为，每次将最小值选至树根，而选择的路径并不是所有的元素，而是由树根至树叶的路径，因而可以加快选择的过程， 所以Heap排序法才会被称之为改良的选择排序法。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#define MAX 10
#define SWAP(x,y) {
      int t; t = x; x = y; y = t;}
void createheap(int[]);
void heapsort(int[]);
int main(void) {
    
int number[MAX+1] = {
    -1};
int i, num;
srand(time(NULL));
printf("排序前：");
for(i = 1; i <= MAX; i++) {
    
number[i] = rand() % 100;
printf("%d ", number[i]);
}
printf("\n建立堆积树：");
createheap(number);
for(i = 1; i <= MAX; i++)
printf("%d ", number[i]);
printf("\n");
heapsort(number);
printf("\n");
return 0;
}
void createheap(int number[]) {
    
int i, s, p;
int heap[MAX+1] = {
    -1};
for(i = 1; i <= MAX; i++) {
    
heap[i] = number[i];
s = i;
p = i / 2;
while(s >= 2 && heap[p] > heap[s]) {
    
SWAP(heap[p], heap[s]);
s = p;
p = s / 2;
}
}
for(i = 1; i <= MAX; i++)
number[i] = heap[i];
}
void heapsort(int number[]) {
    
int i, m, p, s;
m = MAX;
while(m > 1) {
    
SWAP(number[1], number[m]);
m--;
p = 1;
s = 2 * p;
while(s <= m) {
    
if(s < m && number[s+1] < number[s])
s++;
if(number[p] <= number[s])
break;
SWAP(number[p], number[s]);
p = s;
s = 2 * p;
}
printf("\n排序中：");
for(i = MAX; i > 0; i--)
printf("%d ", number[i]);
}
}

17.快速排序法（一）

说明

快速排序法（quick sort）是目前所公认最快的排序方法之一（视解题的对象而定），虽然快速排序法在最差状况下可以达O(n2)，但是在多数的情况下，快速排序法的效率表现是相当不错的。快速排序法的基本精神是在数列中找出适当的轴心，然后将数列一分为二，分别对左边与右边数列进行排序，而影响快速排序法效率的正是轴心的选择。这边所介绍的第一个快速排序法版本，是在多数的教科书上所提及的版本，因为它最容易理解，也最符合轴心分割与左右进行排序的概念，适合对初学者进行讲解。

解法
这边所介绍的快速演算如下：将最左边的数设定为轴，并记录其值为s
廻圈处理：

1. 令索引i 从数列左方往右方找，直到找到大于s 的数
2. 令索引j 从数列左右方往左方找，直到找到小于s 的数
3. 如果i >= j，则离开回圈
4. 如果i < j，则交换索引i与j两处的值
5. 将左侧的轴与j 进行交换
6. 对轴左边进行递回
7. 对轴右边进行递回

透过以下演算法，则轴左边的值都会小于s，轴右边的值都会大于s，如此再对轴左右两边进行递回，就可以对完成排序的目的，例如下面的实例，表示要交换的数，[]表示轴：
[41] 24 76 11 45 64 21 69 19 36*
[41] 24 36 11 45* 64 21 69 19* 76
[41] 24 36 11 19 64* 21* 69 45 76
[41] 24 36 11 19 21 64 69 45 76
21 24 36 11 19 [41] 64 69 45 76
在上面的例子中，41左边的值都比它小，而右边的值都比它大，如此左右再进行递回至排序完成。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#define MAX 10
#define SWAP(x,y) {
      int t; t = x; x = y; y = t;}
void quicksort(int[], int, int);
int main(void) {
    
int number[MAX] = {
    0};
int i, num;
srand(time(NULL));
printf("排序前：");
for(i = 0; i < MAX; i++) {
    
number[i] = rand() % 100;
printf("%d ", number[i]);
}
quicksort(number, 0, MAX-1);
printf("\n排序后：");
for(i = 0; i < MAX; i++)
printf("%d ", number[i]);
printf("\n");
return 0;
}
void quicksort(int number[], int left, int right) {
    
int i, j, s;
if(left < right) {
    
s = number[left];
i = left;
j = right + 1;
while(1) {
    
// 向右找
while(i + 1 < number.length && number[++i] < s) ;
// 向左找
while(j -1 > -1 && number[--j] > s) ;
if(i >= j)
break;
SWAP(number[i], number[j]);
}
number[left] = number[j];
number[j] = s;
quicksort(number, left, j-1); // 对左边进行递回
quicksort(number, j+1, right); // 对右边进行递回
}
}

18.快速排序法（二）

说明

在快速排序法（一）中，每次将最左边的元素设为轴，而之前曾经说过，快速排序法的加速在于轴的选择，在这个例子中，只将轴设定为中间的元素，依这个元素作基准进行比较，这可以增加快速排序法的效率。

解法
在这个例子中，取中间的元素s作比较，同样的先得右找比s大的索引i，然后找比s小的索引j，只要两边的索引还没有交会，就交换i 与j 的元素值，这次不用再进行轴的交换了，因为在寻找交换的过程中，轴位置的元素也会参与交换的动作，例如：
41 24 76 11 45 64 21 69 19 36
首先left为0，right为9，(left+right)/2 = 4（取整数的商），所以轴为索引4的位置，比较的元素是45，您往右找比45大的，往左找比45小的进行交换：
41 24 76* 11 [45] 64 21 69 19 36
41 24 36 11 45 64 21 69 19* 76
41 24 36 11 19 64* 21* 69 45 76
[41 24 36 11 19 21] [64 69 45 76]
完成以上之后，再初别对左边括号与右边括号的部份进行递回，如此就可以完成排序的目的。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#define MAX 10
#define SWAP(x,y) {
      int t; t = x; x = y; y = t;}
void quicksort(int[], int, int);
int main(void) {
    
int number[MAX] = {
    0};
int i, num;
srand(time(NULL));
printf("排序前：");
for(i = 0; i < MAX; i++) {
    
number[i] = rand() % 100;
printf("%d ", number[i]);
}
quicksort(number, 0, MAX-1);
printf("\n排序后：");
for(i = 0; i < MAX; i++)
printf("%d ", number[i]);
printf("\n");
return 0;
}
void quicksort(int number[], int left, int right) {
    
int i, j, s;
if(left < right) {
    
s = number[(left+right)/2];
i = left - 1;
j = right + 1;
while(1) {
    
while(number[++i] < s) ; // 向右找
while(number[--j] > s) ; // 向左找
if(i >= j)
break;
SWAP(number[i], number[j]);
}
quicksort(number, left, i-1); // 对左边进行递回
quicksort(number, j+1, right); // 对右边进行递回
}
}

19.快速排序法（三）

说明

之前说过轴的选择是快速排序法的效率关键之一，在这边的快速排序法的轴选择方式更加快了快速排序法的效率，它是来自演算法名书Introduction to Algorithms 之中。

解法
先说明这个快速排序法的概念，它以最右边的值s作比较的标准，将整个数列分为三个部份，一个是小于s的部份，一个是大于s的部份，一个是未处理的部份，如下所示：

在排序的过程中，i 与j 都会不断的往右进行比较与交换，最后数列会变为以下的状态：

然后将s的值置于中间，接下来就以相同的步骤会左右两边的数列进行排序的动作，如下所示：

然后将s的值置于中间，接下来就以相同的步骤会左右两边的数列进行排序的动作，如下所示：

整个演算的过程，直接摘录书中的虚拟码来作说明：

QUICKSORT(A, p, r)
if p < r
then q <- PARTITION(A, p, r)
QUICKSORT(A, p, q-1)
QUICKSORT(A, q+1, r)
end QUICKSORT
PARTITION(A, p, r)
x <- A[r]
i <- p-1
for j <- p to r-1
do if A[j] <= x
then i <- i+1
exchange A[i]<->A[j]
exchange A[i+1]<->A[r]
return i+1
end PARTITION

一个实际例子的演算如下所示：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#define MAX 10
#define SWAP(x,y) {
      int t; t = x; x = y; y = t;}
int partition(int[], int, int);
void quicksort(int[], int, int);
int main(void) {
    
int number[MAX] = {
    0};
int i, num;
srand(time(NULL));
printf("排序前：");
for(i = 0; i < MAX; i++) {
    
number[i] = rand() % 100;
printf("%d ", number[i]);
}
quicksort(number, 0, MAX-1);
printf("\n排序后：");
for(i = 0; i < MAX; i++)
printf("%d ", number[i]);
printf("\n");
return 0;
}
int partition(int number[], int left, int right) {
    
int i, j, s;
s = number[right];
i = left - 1;
for(j = left; j < right; j++) {
    
if(number[j] <= s) {
    
i++;
SWAP(number[i], number[j]);
}
}
SWAP(number[i+1], number[right]);
return i+1;
}
void quicksort(int number[], int left, int right) {
    
int q;
if(left < right) {
    
q = partition(number, left, right);
quicksort(number, left, q-1);
quicksort(number, q+1, right);
}
}

20.多维矩阵转一维矩阵

说明

有的时候，为了运算方便或资料储存的空间问题，使用一维阵列会比二维或多维阵列来得方便，例如上三角矩阵、下三角矩阵或对角矩阵，使用一维阵列会比使用二维阵列来得节省空间。

解法
以二维阵列转一维阵列为例，索引值由0开始，在由二维阵列转一维阵列时，我们有两种方式：「以列（Row）为主」或「以行（Column）为主」。由于C/C++、Java等的记忆体配置方式都是
以列为主，所以您可能会比较熟悉前者（Fortran的记忆体配置方式是以行为主）。以列为主的二维阵列要转为一维阵列时，是将二维阵列由上往下一列一列读入一维阵列，此时索引的对应公式如下所示，其中row与column是二维阵列索引，loc表示对应的一维阵列索引：loc = column + row行数以行为主的二维阵列要转为一维阵列时，是将二维阵列由左往右一行一读入一维阵列，此时索引的对应公式如下所示：
loc = row + column列数公式的推导您画图看看就知道了，如果是三维阵列，则公式如下所示，其中i（个数u1）、j（个数u2）、k（个数u3）分别表示三维阵列的三个索引：
以列为主：loc = iu2u3 + ju3 + k
以行为主：loc = ku1u2 + ju1 + i
更高维度的可以自行依此类推，但通常更高维度的建议使用其它资料结构（例如物件包装）会比较具体，也不易搞错。在C/C++中若使用到指标时，会遇到指标运算与记忆体空间位址的处理问题，此时也是用到这边的公式，不过必须在每一个项上乘上资料型态的记忆体大小。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void) {
    
int arr1[3][4] = {
    {
    1, 2, 3, 4},
{
    5, 6, 7, 8},
{
    9, 10, 11, 12}};
int arr2[12] = {
    0};
int row, column, i;
printf("原二维资料：\n");
for(row = 0; row < 3; row++) {
    
for(column = 0; column < 4; column++) {
    
printf("%4d", arr1[row][column]);
}
printf("\n");
}
printf("\n以列为主：");
for(row = 0; row < 3; row++) {
    
for(column = 0; column < 4; column++) {
    
i = column + row * 4;
arr2[i] = arr1[row][column];
}
}
for(i = 0; i < 12; i++)
printf("%d ", arr2[i]);
printf("\n以行为主：");
for(row = 0; row < 3; row++) {
    
for(column = 0; column < 4; column++) {
    
i = row + column * 3;
arr2[i] = arr1[row][column];
}
}
for(i = 0; i < 12; i++)
printf("%d ", arr2[i]);
printf("\n");
return 0;
}

21.上三角、下三角、对称矩阵

说明
上三角矩阵是矩阵在对角线以下的元素均为0，即Aij = 0，i > j，例如：
1 2 3 4 5
0 6 7 8 9
0 0 10 11 12
0 0 0 13 14
0 0 0 0 15
下三角矩阵是矩阵在对角线以上的元素均为0，即Aij = 0，i < j，例如：
1 0 0 0 0
2 6 0 0 0
3 7 10 0 0
4 8 11 13 0
5 9 12 14 15
对称矩阵是矩阵元素对称于对角线，例如：
1 2 3 4 5
2 6 7 8 9
3 7 10 11 12
4 8 11 13 14
5 9 12 14 15
上三角或下三角矩阵也有大部份的元素不储存值（为0），我们可以将它们使用一维阵列来储存以节省储存空间，而对称矩阵因为对称于对角线，所以可以视为上三角或下三角矩阵来储存。
解法
假设矩阵为nxn，为了计算方便，我们让阵列索引由1开始，上三角矩阵化为一维阵列，若以列为主，其公式为：loc = n*(i-1) - i*(i-1)/2 + j化为以行为主，其公式为：loc = j*(j-1)/2 + i下三角矩阵化为一维阵列，若以列为主，其公式为：loc = i*(i-1)/2 + j若以行为主，其公式为：loc = n*(j-1) - j*(j-1)/2 + i公式的导证其实是由等差级数公式得到，您可以自行绘图并看看就可以导证出来，对于C/C++或Java等索引由0开始的语言来说，只要将i与j各加1，求得loc之后减1即可套用以上的公式。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define N 5
int main(void) {
    
int arr1[N][N] = {
    
{
    1, 2, 3, 4, 5},
{
    0, 6, 7, 8, 9},
{
    0, 0, 10, 11, 12},
{
    0, 0, 0, 13, 14},
{
    0, 0, 0, 0, 15}};
int arr2[N*(1+N)/2] = {
    0};
int i, j, loc = 0;
printf("原二维资料：\n");
for(i = 0; i < N; i++) {
    
for(j = 0; j < N; j++) {
    
printf("%4d", arr1[i][j]);
}
printf("\n");
}
printf("\n以列为主：");
for(i = 0; i < N; i++) {
    
for(j = 0; j < N; j++) {
    
if(arr1[i][j] != 0)
arr2[loc++] = arr1[i][j];
}
}
for(i = 0; i < N*(1+N)/2; i++)
printf("%d ", arr2[i]);
printf("\n输入索引(i, j)：");
scanf("%d, %d", &i, &j);
loc = N*i - i*(i+1)/2 + j;
printf("(%d, %d) = %d", i, j, arr2[loc]);
printf("\n");
return 0;
}

22.m元素集合的n个元素子集

说明
假设有个集合拥有m个元素，任意的从集合中取出n个元素，则这n个元素所形成的可能子集有那些？

解法
假设有5个元素的集点，取出3个元素的可能子集如下：
{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}
这些子集已经使用字典顺序排列，如此才可以观察出一些规则：

1. 如果最右一个元素小于m，则如同码表一样的不断加1
2. 如果右边一位已至最大值，则加1的位置往左移
3. 每次加1的位置往左移后，必须重新调整右边的元素为递减顺序

所以关键点就在于哪一个位置必须进行加1的动作，到底是最右一个位置要加1？还是其它的位置？在实际撰写程式时，可以使用一个变数positon来记录加1的位置，position的初值设定为n-1，因为我们要使用阵列，而最右边的索引值为最大的n-1，在position位置的值若小于m就不断加1，如果大于m了，position就减1，也就是往左移一个位置；由于位置左移后，右边的元素会经过调整，所以我们必须检查最右边的元素是否小于m，如果是，则position调整回n-1，如果不是，则positon维持不变。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define MAX 20
int main(void) {
    
int set[MAX];
int m, n, position;
int i;
printf("输入集合个数m：");
scanf("%d", &m);
printf("输入取出元素n：");
scanf("%d", &n);
for(i = 0; i < n; i++)
set[i] = i + 1;
// 显示第一个集合
for(i = 0; i < n; i++)
printf("%d ", set[i]);
putchar('\n');
position = n - 1;
while(1) {
    
if(set[n-1] == m)
position--;
else
position = n - 1;
set[position]++;
// 调整右边元素
for(i = position + 1; i < n; i++)
set[i] = set[i-1] + 1;
for(i = 0; i < n; i++)
printf("%d ", set[i]);
putchar('\n');
if(set[0] >= m - n + 1)
break;
}
return 0;
}

23.数字拆解

说明
这个题目来自于数字拆解，我将之改为C语言的版本，并加上说明。
题目是这样的：
3 = 2+1 = 1+1+1 所以3有三种拆法
4 = 3 + 1 = 2 + 2 = 2 + 1 + 1 = 1 + 1 + 1 + 1 共五种
5 = 4 + 1 = 3 + 2 = 3 + 1 + 1 = 2 + 2 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1 = 1 + 1 +1 +1 +1
共七种依此类推，请问一个指定数字NUM的拆解方法个数有多少个？
解法
我们以上例中最后一个数字5的拆解为例，假设f( n )为数字n的可拆解方式个数，而f(x, y)为使用y以下的数字来拆解x的方法个数，则观察：
5 = 4 + 1 = 3 + 2 = 3 + 1 + 1 = 2 + 2 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1 = 1 + 1 +1 +1 +1
使用函式来表示的话：
f(5) = f(4, 1) + f(3,2) + f(2,3) + f(1,4) + f(0,5)
其中f(1, 4) = f(1, 3) + f(1, 2) + f(1, 1)，但是使用大于1的数字来拆解1没有意义，所以f(1, 4) =f(1, 1)，而同样的，f(0, 5)会等于f(0, 0)，所以：
f(5) = f(4, 1) + f(3,2) + f(2,3) + f(1,1) + f(0,0)
依照以上的说明，使用动态程式规画（Dynamic programming）来进行求解，其中f(4,1)其实就是f(5-1, min(5-1,1))，f(x, y)就等于f(n-y, min(n-x, y))，其中n为要拆解的数字，而min()表示取两
者中较小的数。使用一个二维阵列表格table[x][y]来表示f(x, y)，刚开始时，将每列的索引0与索引1元素值设定为1，因为任何数以0以下的数拆解必只有1种，而任何数以1以下的数拆解也必只有1种：
for(i = 0; i < NUM +1; i++){
table[i][0] = 1; // 任何数以0以下的数拆解必只有1种
table[i][1] = 1; // 任何数以1以下的数拆解必只有1种
}接下来就开始一个一个进行拆解了，如果数字为NUM，则我们的阵列维度大小必须为NUM x
(NUM/2+1)，以数字10为例，其维度为10 x 6我们的表格将会如下所示：
1 1 0 0 0 0
1 1 0 0 0 0
1 1 2 0 0 0
1 1 2 3 0 0
1 1 3 4 5 0
1 1 3 5 6 7
1 1 4 7 9 0
1 1 4 8 0 0
1 1 5 0 0 0
1 1 0 0 0 0

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define NUM 10 // 要拆解的数字
#define DEBUG 0
int main(void) {
    
int table[NUM][NUM/2+1] = {
    0}; // 动态规画表格
int count = 0;
int result = 0;
int i, j, k;
printf("数字拆解\n");
printf("3 = 2+1 = 1+1+1 所以3有三种拆法\n");
printf("4 = 3 + 1 = 2 + 2 = 2 + 1 + 1 = 1 + 1 + 1 + 1");
printf("共五种\n");
printf("5 = 4 + 1 = 3 + 2 = 3 + 1 + 1");
printf(" = 2 + 2 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1 = 1 + 1 +1 +1 +1");
printf("共七种\n");
printf("依此类推，求%d 有几种拆法？", NUM);
// 初始化
for(i = 0; i < NUM; i++){
    
table[i][0] = 1; // 任何数以0以下的数拆解必只有1种
table[i][1] = 1; // 任何数以1以下的数拆解必只有1种
}
// 动态规划
for(i = 2; i <= NUM; i++){
    
for(j = 2; j <= i; j++){
    
if(i + j > NUM) // 大于NUM
continue;
count = 0;
for(k = 1 ; k <= j; k++){
    
count += table[i-k][(i-k >= k) ? k : i-k];
}
table[i][j] = count;
}
}
// 计算并显示结果
for(k = 1 ; k <= NUM; k++)
result += table[NUM-k][(NUM-k >= k) ? k : NUM-k];
printf("\n\nresult: %d\n", result);
if(DEBUG) {
    
printf("\n除错资讯\n");
for(i = 0; i < NUM; i++) {
    
for(j = 0; j < NUM/2+1; j++)
printf("%2d", table[i][j]);
printf("\n");
}
}
return 0;
}