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
在线性时间内找到数组的中值,然后使用与快速排序完全相同的划分程序将数组分为两部分,中值左边的值小于(<)中值,右边的值大于(>)中值,这也可以在线性时间内完成,现在,找到数组中第k个元素所在的部分, 现在递归式变成: T(n) = T(n/2) + cn 得到O (n) /。
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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)
我会这样做:
initialize empty doubly linked list l
for each element e in array
if e larger than head(l)
make e the new head of l
if size(l) > k
remove last element from l
the last element of l should now be the kth largest element
您可以简单地存储指向链表中第一个和最后一个元素的指针。它们只在更新列表时更改。
更新:
initialize empty sorted tree l
for each element e in array
if e between head(l) and tail(l)
insert e into l // O(log k)
if size(l) > k
remove last element from l
the last element of l should now be the kth largest element
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]
首先,我们可以从未排序的数组中构建一个BST,它需要O(n)时间,从BST中我们可以找到O(log(n))中第k个最小的元素,它的总计数为O(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。