CS-Notes/docs/notes/算法 - 其它.md

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* [汉诺塔](#汉诺塔)
* [哈夫曼编码](#哈夫曼编码)
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# 汉诺塔

<div align="center"> <img src="https://gitee.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/docs/pics/54f1e052-0596-4b5e-833c-e80d75bf3f9b.png" width="300"/> </div><br>

有三个柱子，分别为 from、buffer、to。需要将 from 上的圆盘全部移动到 to 上，并且要保证小圆盘始终在大圆盘上。

这是一个经典的递归问题，分为三步求解：

① 将 n-1 个圆盘从 from -> buffer

<div align="center"> <img src="https://gitee.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/docs/pics/8587132a-021d-4f1f-a8ec-5a9daa7157a7.png" width="300"/> </div><br>

② 将 1 个圆盘从 from -> to

<div align="center"> <img src="https://gitee.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/docs/pics/2861e923-4862-4526-881c-15529279d49c.png" width="300"/> </div><br>

③ 将 n-1 个圆盘从 buffer -> to

<div align="center"> <img src="https://gitee.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/docs/pics/1c4e8185-8153-46b6-bd5a-288b15feeae6.png" width="300"/> </div><br>

如果只有一个圆盘，那么只需要进行一次移动操作。

从上面的讨论可以知道，a<sub>n</sub> = 2 * a<sub>n-1</sub> + 1，显然 a<sub>n</sub> = 2<sup>n</sup> - 1，n 个圆盘需要移动 2<sup>n</sup> - 1 次。

```java
public class Hanoi {
    public static void move(int n, String from, String buffer, String to) {
        if (n == 1) {
            System.out.println("from " + from + " to " + to);
            return;
        }
        move(n - 1, from, to, buffer);
        move(1, from, buffer, to);
        move(n - 1, buffer, from, to);
    }

    public static void main(String[] args) {
        Hanoi.move(3, "H1", "H2", "H3");
    }
}
```

```html
from H1 to H3
from H1 to H2
from H3 to H2
from H1 to H3
from H2 to H1
from H2 to H3
from H1 to H3
```

# 哈夫曼编码

根据数据出现的频率对数据进行编码，从而压缩原始数据。

例如对于一个文本文件，其中各种字符出现的次数如下：

- a : 10
- b : 20
- c : 40
- d : 80

可以将每种字符转换成二进制编码，例如将 a 转换为 00，b 转换为 01，c 转换为 10，d 转换为 11。这是最简单的一种编码方式，没有考虑各个字符的权值（出现频率）。而哈夫曼编码采用了贪心策略，使出现频率最高的字符的编码最短，从而保证整体的编码长度最短。

首先生成一颗哈夫曼树，每次生成过程中选取频率最少的两个节点，生成一个新节点作为它们的父节点，并且新节点的频率为两个节点的和。选取频率最少的原因是，生成过程使得先选取的节点位于树的更低层，那么需要的编码长度更长，频率更少可以使得总编码长度更少。

生成编码时，从根节点出发，向左遍历则添加二进制位 0，向右则添加二进制位 1，直到遍历到叶子节点，叶子节点代表的字符的编码就是这个路径编码。

<div align="center"> <img src="https://gitee.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/docs/pics/3ff4f00a-2321-48fd-95f4-ce6001332151.png" width="400"/> </div><br>

```java
public class Huffman {

    private class Node implements Comparable<Node> {
        char ch;
        int freq;
        boolean isLeaf;
        Node left, right;

        public Node(char ch, int freq) {
            this.ch = ch;
            this.freq = freq;
            isLeaf = true;
        }

        public Node(Node left, Node right, int freq) {
            this.left = left;
            this.right = right;
            this.freq = freq;
            isLeaf = false;
        }

        @Override
        public int compareTo(Node o) {
            return this.freq - o.freq;
        }
    }

    public Map<Character, String> encode(Map<Character, Integer> frequencyForChar) {
        PriorityQueue<Node> priorityQueue = new PriorityQueue<>();
        for (Character c : frequencyForChar.keySet()) {
            priorityQueue.add(new Node(c, frequencyForChar.get(c)));
        }
        while (priorityQueue.size() != 1) {
            Node node1 = priorityQueue.poll();
            Node node2 = priorityQueue.poll();
            priorityQueue.add(new Node(node1, node2, node1.freq + node2.freq));
        }
        return encode(priorityQueue.poll());
    }

    private Map<Character, String> encode(Node root) {
        Map<Character, String> encodingForChar = new HashMap<>();
        encode(root, "", encodingForChar);
        return encodingForChar;
    }

    private void encode(Node node, String encoding, Map<Character, String> encodingForChar) {
        if (node.isLeaf) {
            encodingForChar.put(node.ch, encoding);
            return;
        }
        encode(node.left, encoding + '0', encodingForChar);
        encode(node.right, encoding + '1', encodingForChar);
    }
}
```




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