我实现了在n个未排序元素中寻找第k个最小值的动态规划，特别是竞赛方法。执行时间为O(n + klog(n))。所使用的机制在维基百科关于选择算法的页面上被列为方法之一(如上面的帖子之一所示)。你可以阅读算法，也可以在我的博客页面“查找k个最小值”上找到代码(java)。此外，逻辑可以对列表进行部分排序——在O(klog(n))时间内返回第一个K min(或max)。

虽然代码提供了第k个最小值的结果，但可以使用类似的逻辑来查找O(klog(n))中的第k个最大值，忽略创建比赛树的前期工作。

我提出了这个算法，似乎是O(n):

假设k=3我们想找出数组中第三大的元素。我将创建三个变量，并将数组中的每一项与这三个变量中的最小值进行比较。如果数组item大于最小值，则用item的值替换最小值变量。我们继续做同样的事情，直到数组结束。三个变量中的最小值是数组中第三大的项。

define variables a=0, b=0, c=0
iterate through the array items
    find minimum a,b,c
    if item > min then replace the min variable with item value
    continue until end of array
the minimum of a,b,c is our answer

为了找到第K大的项，我们需要K个变量。

例如:(k = 3)

[1,2,4,1,7,3,9,5,6,2,9,8]

Final variable values:

a=7 (answer)
b=8
c=9

有人可以审查这个，让我知道我错过了什么?

这叫做求k阶统计量。有一个非常简单的随机算法(叫做quickselect)，平均时间为O(n)，最坏情况时间为O(n²)，还有一个相当复杂的非随机算法(叫做introselect)，最坏情况时间为O(n)。维基百科上有一些信息，但不是很好。

你需要的一切都在这些幻灯片里。只需提取O(n)最坏情况算法(introselect)的基本算法:

Select(A,n,i):
    Divide input into ⌈n/5⌉ groups of size 5.

    /* Partition on median-of-medians */
    medians = array of each group’s median.
    pivot = Select(medians, ⌈n/5⌉, ⌈n/10⌉)
    Left Array L and Right Array G = partition(A, pivot)

    /* Find ith element in L, pivot, or G */
    k = |L| + 1
    If i = k, return pivot
    If i < k, return Select(L, k-1, i)
    If i > k, return Select(G, n-k, i-k)

在Cormen等人的《算法介绍》一书中也有非常详细的描述。

它类似于快速排序策略，在快速排序策略中，我们选择一个任意的枢轴，并将较小的元素放在它的左边，将较大的元素放在右边

    public static int kthElInUnsortedList(List<int> list, int k)
    {
        if (list.Count == 1)
            return list[0];

        List<int> left = new List<int>();
        List<int> right = new List<int>();

        int pivotIndex = list.Count / 2;
        int pivot = list[pivotIndex]; //arbitrary

        for (int i = 0; i < list.Count && i != pivotIndex; i++)
        {
            int currentEl = list[i];
            if (currentEl < pivot)
                left.Add(currentEl);
            else
                right.Add(currentEl);
        }

        if (k == left.Count + 1)
            return pivot;

        if (left.Count < k)
            return kthElInUnsortedList(right, k - left.Count - 1);
        else
            return kthElInUnsortedList(left, k);
    }

如果你想要一个真正的O(n)算法，而不是O(kn)或类似的算法，那么你应该使用快速选择(它基本上是快速排序，你会丢弃你不感兴趣的分区)。我的教授写了一篇很棒的文章，包括运行时分析:(参考)

QuickSelect算法可以快速找到包含n个元素的无序数组中的第k个最小元素。这是一个随机算法，所以我们计算最坏情况下的预期运行时间。

这是算法。

QuickSelect(A, k)
  let r be chosen uniformly at random in the range 1 to length(A)
  let pivot = A[r]
  let A1, A2 be new arrays
  # split into a pile A1 of small elements and A2 of big elements
  for i = 1 to n
    if A[i] < pivot then
      append A[i] to A1
    else if A[i] > pivot then
      append A[i] to A2
    else
      # do nothing
  end for
  if k <= length(A1):
    # it's in the pile of small elements
    return QuickSelect(A1, k)
  else if k > length(A) - length(A2)
    # it's in the pile of big elements
    return QuickSelect(A2, k - (length(A) - length(A2))
  else
    # it's equal to the pivot
    return pivot

这个算法的运行时间是多少?如果对手为我们抛硬币，我们可能会发现主元总是最大的元素，k总是1，给出的运行时间为

T(n) = Theta(n) + T(n-1) = Theta(n2)

但如果选择确实是随机的，则预期运行时间由

T(n) <= Theta(n) + (1/n) ∑i=1 to nT(max(i, n-i-1))

我们做了一个不完全合理的假设递归总是落在A1或A2中较大的那个。

让我们猜测对于某个a T(n) <= an，然后我们得到

T(n) 
 <= cn + (1/n) ∑i=1 to nT(max(i-1, n-i))
 = cn + (1/n) ∑i=1 to floor(n/2) T(n-i) + (1/n) ∑i=floor(n/2)+1 to n T(i)
 <= cn + 2 (1/n) ∑i=floor(n/2) to n T(i)
 <= cn + 2 (1/n) ∑i=floor(n/2) to n ai

现在我们要用加号右边这个可怕的和来吸收左边的cn。如果我们将其限定为2(1/n)∑i=n/2到n an，我们大致得到2(1/n)(n/2)an = an。但是这个太大了，没有多余的空间来挤进一个cn。让我们用等差级数公式展开和:

∑i=floor(n/2) to n i  
 = ∑i=1 to n i - ∑i=1 to floor(n/2) i  
 = n(n+1)/2 - floor(n/2)(floor(n/2)+1)/2  
 <= n2/2 - (n/4)2/2  
 = (15/32)n2

我们利用n“足够大”的优势，用更干净(更小)的n/4替换丑陋的地板(n/2)因子。现在我们可以继续

cn + 2 (1/n) ∑i=floor(n/2) to n ai,
 <= cn + (2a/n) (15/32) n2
 = n (c + (15/16)a)
 <= an

提供了> 16c。

得到T(n) = O(n)显然是(n)所以我们得到T(n) = (n)

你确实喜欢快速排序。随机选择一个元素，然后将所有元素推高或推低。此时，您将知道您实际选择了哪个元素，如果它是第k个元素，您就完成了，否则您将重复bin(更高或更低)，第k个元素将落在其中。从统计学上讲，找到第k个元素所需的时间随着n, O(n)而增加。