Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 7: Giải thuật tìm kiếm

Chương 7: Giải thuật tìm kiếm 1. Bài toán tìm kiếm * Bài toán tìm kiếm được phát biểu như sau: Cho một bảng gồm n bản ghi r1, r2 , . . . , rn; ri ( 1<= i <=n ) tương ứng với một khoá ki . Hãy tìm bản ghi có giá trị khoá tương ứng bằng x cho trước. * Gọi x là khoá tìm kiếm hay giá trị tìm kiếm. Công việc tìm kiếm sẽ hoàn thành khi có một trong 2 tình huống sau xảy ra: 1- Tìm được bản ghi có giá trị khoá tương ứng bằng x. Lúc đó ta nói phép tìm kiếm được thoả. 2- Không tìm được bản ghi nào có giá trị khoá bằng x . Khi đó ta nói phép tìm kiếm không thoả. Sau phép tìm kiếm không thoả nếu có yêu cần bổ sung bản ghi mới có khoá x vào bảng. Giải thuật này gọi là “ Tìm kiếm có bổ sung”. Khoá của mỗi bản ghi chính là đặc điểm nhận biết của bản ghi đó trong tìm kiếm, ta coi nó là đại diện của bản ghi trong giải thuật. 2. Tìm kiếm tuần tự ( Sequential searching ) 2.1. Phương pháp Đây là giải thuật đơn giản, cổ điển. Cách thức làm như sau: Bắt đầu từ bản ghi thứ nhất, lần lượt so sánh khoá tìm kiếm với tương ứng của các bản ghi trong bảng cho đến khi tìm thấy bản ghi mong muốn hoặc đã hết danh sách mà chưa thấy. * Giải thuật: Cho dãy khoá K có n phần tử. Tìm xem có khoá nào bằng x, nếu có đưa ra thứ tự của khoá đó, nếu không có thì đưa ra giá trị 0. Trong giải thuật sử dụng khoá phụ kn+1=x. Function SEQUENCE_SEARCH(k,n,x) 1. { Khởi đầu } i:=1; k[n+1]:=x; 2. { Tìm kiếm trong dãy} While k[i] x Do i:=i+1; 3. { Không tìm thấy } If i=n+1 then Return(0) Esle Return(i); Return 3. Tìm kiếm nhị phân (Binary searching ) 3.1 Phương pháp * Phương pháp tìm kiếm thực hiện trên dãy khóa đã sắp xếp, có nội dung như sau: - Tương tự như tra tìm từ trong từ điển hoặc danh bạ điện thoại. Chỉ khác là trong tra cứu ta chọn từ ngẫu nhiên, còn trong tìm kiếm nhị phân luôn chọn khoá “ở giữa” dẫy khoá. - Giả sử có dãy khoá kL, . . ., kR thì khoá ở giữa là ki với i=(L+R) div 2 + Tìm kiếm sẽ kết thúc nếu: x=ki + Nếu x<ki tìm kiếm sẽ được thực hiện tiếp với kL, . . . , ki-1 với cách tương tự. + Nếu x>ki tìm kiếm sẽ được thực hiện tiếp với ki+1, . . . , kr với cách tương tự. Qúa trình tìm kiếm kết thúc khi tìm thấy một khoá mong muốn hoặc dãy khoá rỗng ( không tìm thấy ). * Giải thuật: Cho dãy K gồm n khoá, sắp xếp theo thứ tự tăng dần. Tìm khoá đó có giá trị =x. Dùng biến L, R, m: chỉ số đầu, chỉ số cuối, chỉ số giữa của khoá k. Nếu tìm thấy cho ra chỉ số của khoá đó, nếu không tìm thấy cho ra 0. Function Binary_search(K,n,x) 1. { Khởi tạo } L:=1; R:=n; 2. { Tìm kiếm } While L<= R Do Begin 3. { Tính chỉ số giữa } m:=( L+R) div 2; 4. { So sánh } If x<k[m] then R:=m-1 Else IF x>k[m] then L:=m+1 Else Return (m); End; 5. { Không tìm thấy } Return (0) * Giải thuật viết dạng đệ quy như sau: L, r là chỉ số đầu, chỉ số cuối của dãy K, biến nguyên Loc để đưa ra chỉ số ứng với khoá cần tìm, nếu không tìm thấy thì Loc =0. Function Binary_search(L,R,x) 1. If L>R then Loc:=0 Else begin m:=(L+R) div 2; If x<k[m] then Loc:=Binary_search(L,m-1,x) Else If x>k[m] then Loc:=Binary_search(m+1,R,x) Else Loc:=m; end; 2. Return(Loc) 3.2. Đánh giá Phép tính tích cực là phép so sánh L<= r Cmin=1 Người ta đã tính được Cmax=[log2n ] Ttb=O(log2n ) Tìm kiếm nhị phân tốt hơn tìm kiếm tuần tự nhưng dãy k phải được sắp. 4. Cây nhị phân tìm kiếm 4.1. Định nghĩa cây nhị phân tìm kiếm * Cây nhị phân tìm kiếm ứng với n khoá k1, k2, ..., kn là một cây nhị phân mà mỗi nút của nó đều được định danh bởi một khoá nào đó trong các khoá đã cho. Đối với mọi nút trên cây tính chất sau đây luôn được thoả mãn: - Mọi khoá thuộc cây con trái của một nút đều nhỏ hơn khoá ứng với nút đó. - Mọi khoá thuộc cây con phải của một nút đều lớn hơn khoá ứng với nút đó. Chú ý : Khoá là số thì so sánh số bình thường, Khoá là chữ thì ta so sánh xâu kí tự. 4.2. Giải thuật tìm kiếm * Đối với một cây nhị phân để tìm kiếm xem một khoá x nào đó có trên cây đó không? Ta có thể thực hiện như sau: So sánh x với khoá ở gốc và một trong 4 tình huống sau đây sẽ xuất hiện: 1- Không có gốc cây ( cây rỗng): X không có trên cây, phép tìm kiếm không thoả mãn. 2- X trùng với khoá ở gốc: Phép tìm kiếm được thoả mãn. 3- X nhỏ hơn khoá ở gốc: Tìm kiếm được thực hiện tiếp tục bằng cách xét cây con trái của gốc với cách làm tương tự. 4- X lớn hơn khoá ở gốc: Tìm kiếm được thực hiện tiếp tục bằng cách xét cây con phải của gốc với cách làm tương tự. Ví dụ Tìm x=28 trên cây a: So x và 35, x<35 nên ta tìm trên cây con trái của 35 X>25 nên lại tìm trong cây con phải. So sánh ta có x=cây con phải cũng là 28 nên phép tìm kiếm được thoả mãn. Bài tập chương 8 Bài 1: Cho 1 dãy số a1, a2, ..., an. Hãy tìm phần tử bằng giá trị x nhập vào từ bàn phím. Lập trình theo 3 cách tìm kiếm nêu trên: tìm kiếm tuần tự, tìm kiếm nhị phân, cây nhị phân tìm kiếm. Bài 2: Cho 1 danh sách điểm của sinh viên. Mỗi bản ghi gồm các trường: Họ tên, số báo danh, điểm thi. Hãy tìm sinh viên có số báo danh bằng giá trị x nhập vào từ bàn phím. Lập trình theo 3 cách tìm kiếm nêu trên:tìm kiếm tuần tự, tìm kiếm nhị phân, cây nhị phân tìm kiếm.