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?
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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)。
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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。
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) /。
Haskell的解决方案:
kthElem index list = sort list !! index
withShape ~[] [] = []
withShape ~(x:xs) (y:ys) = x : withShape xs ys
sort [] = []
sort (x:xs) = (sort ls `withShape` ls) ++ [x] ++ (sort rs `withShape` rs)
where
ls = filter (< x)
rs = filter (>= x)
这通过使用withShape方法来实现中值解的中值,从而发现分区的大小,而无需实际计算分区大小。
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。
还有一种算法,比快速选择算法性能更好。它叫做弗洛伊德-铆钉(FR)算法。
原文:https://doi.org/10.1145/360680.360694
下载版本:http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.309.7108&rep=rep1&type=pdf
维基百科文章https://en.wikipedia.org/wiki/Floyd%E2%80%93Rivest_algorithm
我尝试在c++中实现快速选择和FR算法。我还将它们与标准c++库实现std::nth_element(基本上是quickselect和heapselect的introselect混合)进行了比较。结果是快速选择和nth_element的平均运行,而FR算法的平均运行约。速度是它们的两倍。
我用于FR算法的示例代码:
template <typename T>
T FRselect(std::vector<T>& data, const size_t& n)
{
if (n == 0)
return *(std::min_element(data.begin(), data.end()));
else if (n == data.size() - 1)
return *(std::max_element(data.begin(), data.end()));
else
return _FRselect(data, 0, data.size() - 1, n);
}
template <typename T>
T _FRselect(std::vector<T>& data, const size_t& left, const size_t& right, const size_t& n)
{
size_t leftIdx = left;
size_t rightIdx = right;
while (rightIdx > leftIdx)
{
if (rightIdx - leftIdx > 600)
{
size_t range = rightIdx - leftIdx + 1;
long long i = n - (long long)leftIdx + 1;
long long z = log(range);
long long s = 0.5 * exp(2 * z / 3);
long long sd = 0.5 * sqrt(z * s * (range - s) / range) * sgn(i - (long long)range / 2);
size_t newLeft = fmax(leftIdx, n - i * s / range + sd);
size_t newRight = fmin(rightIdx, n + (range - i) * s / range + sd);
_FRselect(data, newLeft, newRight, n);
}
T t = data[n];
size_t i = leftIdx;
size_t j = rightIdx;
// arrange pivot and right index
std::swap(data[leftIdx], data[n]);
if (data[rightIdx] > t)
std::swap(data[rightIdx], data[leftIdx]);
while (i < j)
{
std::swap(data[i], data[j]);
++i; --j;
while (data[i] < t) ++i;
while (data[j] > t) --j;
}
if (data[leftIdx] == t)
std::swap(data[leftIdx], data[j]);
else
{
++j;
std::swap(data[j], data[rightIdx]);
}
// adjust left and right towards the boundaries of the subset
// containing the (k - left + 1)th smallest element
if (j <= n)
leftIdx = j + 1;
if (n <= j)
rightIdx = j - 1;
}
return data[leftIdx];
}
template <typename T>
int sgn(T val) {
return (T(0) < val) - (val < T(0));
}