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循环不变式（Loop Invariant） 是算法设计和程序验证中的一个核心概念，用于证明循环的正确性。它是在循环的每次迭代开始和结束时均保持为真的一种条件或性质，帮助开发者确保循环按预期工作，最终达到目标状态。

循环不变式的核心作用

1. 设计循环：指导循环逻辑的构建。

2. 验证正确性：证明循环确实能达到预期目标。

3. 调试代码：通过检查不变式是否始终成立，定位逻辑错误。

循环不变式的三个验证阶段

要证明循环的正确性，必须验证以下三点：

1. 初始化（Initialization）

   • 循环开始前，不变式必须成立。

   • 例如：在排序算法中，初始时“已排序部分为空”。

2. 保持（Maintenance）

   • 每次迭代后，不变式仍成立。

   • 例如：插入排序中，每次插入一个元素后，“已处理部分仍然有序”。

3. 终止（Termination）

   • 循环结束时，不变式能推导出算法的目标。

   • 例如：循环结束后，“整个数组有序”。

经典示例

1. 插入排序的循环不变式

• 不变式：每次循环后，前 i 个元素是局部有序的。

• 验证：

  • 初始化：i=1 时，前1个元素显然有序。

  • 保持：每次将第 i 个元素插入到前 i-1 个有序元素中的正确位置，保持局部有序。

  • 终止：当 i=n 时，整个数组有序。

2. 二分查找的循环不变式

• 不变式：若目标元素存在，则它一定在当前搜索范围 [low, high] 内。

• 验证：

  • 初始化：整个数组 [0, n-1] 包含目标（如果存在）。

  • 保持：每次比较中间元素后，调整 low 或 high，确保目标仍在范围内。

  • 终止：当 low > high 时，可确定目标是否存在。

循环不变式 vs 数学归纳法

• 相似性：

  • 初始化 ↔ 归纳基础（证明初始状态成立）。

  • 保持 ↔ 归纳步骤（假设第 k 步成立，证明第 k+1 步也成立）。

  • 终止 ↔ 结论（最终目标达成）。

• 区别：循环不变式关注有限次迭代，而数学归纳法通常用于无限过程。

如何构造循环不变式？

1. 明确循环目标：循环结束时需要达到什么状态？

2. 定义中间状态：在循环过程中，哪些性质始终为真？

3. 结合变量关系：用循环变量描述不变式中的条件。

实际应用场景

场景	循环不变式的作用
排序算法	保证每次迭代后部分数据有序
查找算法	确保搜索范围始终包含目标（若存在）
动态规划	维护子问题的最优解性质
图遍历（BFS/DFS）	跟踪已访问节点和待处理节点的关系

总结

循环不变式是算法正确性的“守护者”，通过形式化验证确保循环逻辑严密无漏洞。它在复杂算法（如快速排序、Dijkstra最短路径）的证明中尤为重要，是程序员和算法工程师的必备工具。