我在读CLRS的《算法导论》。在第二章中,作者提到了“循环不变量”。什么是循环不变量?
当前回答
Loop invariant is a mathematical formula such as (x=y+1). In that example, x and y represent two variables in a loop. Considering the changing behavior of those variables throughout the execution of the code, it is almost impossible to test all possible to x and y values and see if they produce any bug. Lets say x is an integer. Integer can hold 32 bit space in the memory. If that number exceeds, buffer overflow occurs. So we need to be sure that throughout the execution of the code, it never exceeds that space. for that, we need to understand a general formula that shows the relationship between variables. After all, we just try to understand the behavior of the program.
其他回答
之前的回答已经很好地定义了循环不变量。
以下是CLRS的作者如何使用循环不变量来证明插入排序的正确性。
插入排序算法(见书):
INSERTION-SORT(A)
for j ← 2 to length[A]
do key ← A[j]
// Insert A[j] into the sorted sequence A[1..j-1].
i ← j - 1
while i > 0 and A[i] > key
do A[i + 1] ← A[i]
i ← i - 1
A[i + 1] ← key
循环不变量在这种情况下: 子数组[1到j-1]始终被排序。
现在让我们检查一下,证明这个算法是正确的。
初始化:在第一次迭代j=2之前。所以子数组[1:1]就是要测试的数组。因为它只有一个元素,所以它是有序的。这样不变性就被满足了。
维护:这可以通过在每次迭代后检查不变量来轻松验证。在这种情况下,它被满足了。
终止:这是我们将证明算法正确性的步骤。
当循环结束时,j=n+1。循环不变量再次被满足。这意味着子数组[1到n]应该排序。
这就是我们想用算法做的。因此,我们的算法是正确的。
在这种情况下,不变量意味着在每次循环迭代的某一点上必须为真条件。
在契约编程中,不变量是在调用任何公共方法之前和之后必须为真(通过契约)的条件。
简单地说,它是一个循环条件,在每次循环迭代中都为真:
for(int i=0; i<10; i++)
{ }
在这里,我们可以说i的状态是i<10并且i>=0
Loop invariant is a mathematical formula such as (x=y+1). In that example, x and y represent two variables in a loop. Considering the changing behavior of those variables throughout the execution of the code, it is almost impossible to test all possible to x and y values and see if they produce any bug. Lets say x is an integer. Integer can hold 32 bit space in the memory. If that number exceeds, buffer overflow occurs. So we need to be sure that throughout the execution of the code, it never exceeds that space. for that, we need to understand a general formula that shows the relationship between variables. After all, we just try to understand the behavior of the program.
值得注意的是,循环不变量可以帮助迭代算法的设计,因为它被认为是一个断言,表示变量之间的重要关系,在每次迭代开始时和循环结束时,这些关系必须为真。如果这是成立的,计算是在有效的道路上。如果为false,则算法失败。
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