我相信有一种方法可以找到长度为n的O(n)无序数组中第k大的元素。也可能是期望O(n)之类的。我们该怎么做呢?
当前回答
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)
其他回答
c++标准库几乎完全有这个函数调用nth_element,尽管它确实会修改数据。它有线性运行时间,O(N),它也做部分排序。
const int N = ...;
double a[N];
// ...
const int m = ...; // m < N
nth_element (a, a + m, a + N);
// a[m] contains the mth element in a
在那个('第k大元素数组')上快速谷歌返回这个:http://discuss.joelonsoftware.com/default.asp?interview.11.509587.17
"Make one pass through tracking the three largest values so far."
(它是专门为3d最大)
这个答案是:
Build a heap/priority queue. O(n)
Pop top element. O(log n)
Pop top element. O(log n)
Pop top element. O(log n)
Total = O(n) + 3 O(log n) = O(n)
下面是一个随机化快速选择的c++实现。这个想法是随机选择一个主元。为了实现随机分区,我们使用一个随机函数rand()来生成l和r之间的索引,将随机生成索引处的元素与最后一个元素交换,最后调用以最后一个元素为枢轴的标准分区过程。
#include<iostream>
#include<climits>
#include<cstdlib>
using namespace std;
int randomPartition(int arr[], int l, int r);
// This function returns k'th smallest element in arr[l..r] using
// QuickSort based method. ASSUMPTION: ALL ELEMENTS IN ARR[] ARE DISTINCT
int kthSmallest(int arr[], int l, int r, int k)
{
// If k is smaller than number of elements in array
if (k > 0 && k <= r - l + 1)
{
// Partition the array around a random element and
// get position of pivot element in sorted array
int pos = randomPartition(arr, l, r);
// If position is same as k
if (pos-l == k-1)
return arr[pos];
if (pos-l > k-1) // If position is more, recur for left subarray
return kthSmallest(arr, l, pos-1, k);
// Else recur for right subarray
return kthSmallest(arr, pos+1, r, k-pos+l-1);
}
// If k is more than number of elements in array
return INT_MAX;
}
void swap(int *a, int *b)
{
int temp = *a;
*a = *b;
*b = temp;
}
// Standard partition process of QuickSort(). It considers the last
// element as pivot and moves all smaller element to left of it and
// greater elements to right. This function is used by randomPartition()
int partition(int arr[], int l, int r)
{
int x = arr[r], i = l;
for (int j = l; j <= r - 1; j++)
{
if (arr[j] <= x) //arr[i] is bigger than arr[j] so swap them
{
swap(&arr[i], &arr[j]);
i++;
}
}
swap(&arr[i], &arr[r]); // swap the pivot
return i;
}
// Picks a random pivot element between l and r and partitions
// arr[l..r] around the randomly picked element using partition()
int randomPartition(int arr[], int l, int r)
{
int n = r-l+1;
int pivot = rand() % n;
swap(&arr[l + pivot], &arr[r]);
return partition(arr, l, r);
}
// Driver program to test above methods
int main()
{
int arr[] = {12, 3, 5, 7, 4, 19, 26};
int n = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]), k = 3;
cout << "K'th smallest element is " << kthSmallest(arr, 0, n-1, k);
return 0;
}
上述解的最坏情况时间复杂度仍为O(n2)。在最坏的情况下,随机函数可能总是选择一个角元素。上述随机化QuickSelect的期望时间复杂度为Θ(n)
我想提出一个答案
如果我们取前k个元素并将它们排序成一个k个值的链表
对于每一个其他的值,即使在最坏的情况下如果我们对剩下的n-k个值进行插入排序即使在最坏的情况下,比较的数量也将是k*(n-k)对于前k个要排序的值让它是k*(k-1)所以结果是(nk-k)也就是o(n)
干杯
Python中性感的快速选择
def quickselect(arr, k):
'''
k = 1 returns first element in ascending order.
can be easily modified to return first element in descending order
'''
r = random.randrange(0, len(arr))
a1 = [i for i in arr if i < arr[r]] '''partition'''
a2 = [i for i in arr if i > arr[r]]
if k <= len(a1):
return quickselect(a1, k)
elif k > len(arr)-len(a2):
return quickselect(a2, k - (len(arr) - len(a2)))
else:
return arr[r]