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推荐一个有动图解释的博客:十大排序算法-快排-希尔-堆排-归并-冒泡-桶排-选择-插入-计数-基数-1
文章目录
tips
- 稳定排序 (相同元素排序之后相对先后不变)
- 冒泡排序
- 归并排序
- 插入排序
- 不稳定的排序
- 快排排序
- 选择排序
- 希尔排序

上图来源 https://www.cnblogs.com/xiaochun126/p/5086037.html
下面介绍集中排序算法的实现,从小到大排序
归并排序 O(n*log2(n))
- 分:把列表一分为二,得到两个有序列表
- 治:合并两个有序列表
递归地拆分列表,当拆分出来的列表只含有单个元素的时候,自然是有序的,可以作为递归的终止条件

'''
归并排序
'''
def mergeSort(nums):
if len(nums)==1:
return nums
s = len(nums)//2
sa,sb = mergeSort(nums[:s]),mergeSort(nums[s:])
ans = doMerge(sa,sb)
return ans
def doMerge(sa,sb):
ans = []
i = j = 0
while(i<len(sa) and j <len(sb)):
if sa[i]<=sb[j]: # 等号保证排序稳定(元素相等的时候,sb中的元素插在后面)
elem = sa[i]
i+=1
else:
elem = sb[j]
j+=1
ans.append(elem)
ans.extend(sa[i:])
ans.extend(sb[j:])
return ans
堆排序
堆的性质
堆的实现通过构造二叉堆(binary
heap),实为二叉树的一种;由于其应用的普遍性,当不加限定时,均指该数据结构的这种实现。这种数据结构具有以下性质。
- 任意节点小于(或大于)它的所有后裔,最小元(或最大元)在堆的根上(堆序性)。
- 堆总是一棵完全树。即除了最底层,其他层的节点都被元素填满,且最底层尽可能地从左到右填入。
将根节点最大的堆叫做最大堆或大根堆,根节点最小的堆叫做最小堆或小根堆。常见的堆有二叉堆、斐波那契堆等。
来源维基百科 堆积 性质
由此可知,大根堆的子树也是大根堆
用数组存一棵完全二叉树,通过下标获取某个已知节点的关联节点
若数组下标从0开始
- 已知父节点为
i, 则左孩子为:2i+1,右孩子为2i+2 - 已知孩子节点为
j,则父节点为(j-1)//2
若数组下标从1开始
- 已知父节点为
i, 则左孩子为:2i,右孩子为2i+1 - 已知孩子节点为
j,则父节点为j//2

本文大根堆数组下标都从0开始
方案1 自底向上调整大根堆O(n^2)
从最后一个非叶结点开始调整,让这个节点比后裔大,一直到root节点比后裔大,再将root节点放在末尾。 这样,最大的数就排在了数组的末尾。再把倒数第二大的数字,放在数组倒数第二的位置,依此类推。
'''
堆排序 -- 自底向上调整
目前时间复杂度:O(n^2)
'''
def heapSort(nums):
for end in range(len(nums)-1,-1,-1):
doheapSort(nums,end)
return nums
def doheapSort(nums,end):
root = (end-1) // 2 # 最后一个非叶节点的下标
while(root>=0):
left = root*2+1
right = root*2+2
if nums[left]>nums[root]:
nums[left], nums[root] = nums[root],nums[left]
if nums[right] > nums[root] and right<=end:
nums[right], nums[root] = nums[root], nums[right]
root-=1
# root -1 # 倒数第二个非叶节点的下标
nums[0], nums[end] = nums[end], nums[0]
方案2 自顶向下调整大根堆O(n*log2(n))

先构建一个大根堆(每一个节点都大于等于后裔),把root和数组末尾的值交换,再自顶向下调整(末尾这个数字已经是确保是最大值,因此下一次大根堆的数组不包括原来数组基础上的末尾元素)
'''
O(n*log2(n))
'''
def heapSort(nums): # O(n * log2(n))
generateBigheap(nums) # O(n * log2(n))
for end in range(len(nums)-1,-1,-1): # O(n * log2(n))
nums[0], nums[end] = nums[end], nums[0]
down_adjust(nums,0,end-1)
return nums
def generateBigheap(nums): # O(n * log2(n))
for root in range((len(nums)-2)//2,-1,-1):
left = root*2+1
right = left+1
maxelem = left if right>len(nums)-1 or nums[right]<nums[left] else right
if nums[root]>nums[maxelem]:continue
nums[maxelem], nums[root] = nums[root], nums[maxelem]
down_adjust(nums, maxelem,len(nums)-1)
def down_adjust(nums,root,end): # O(log2(n))
while root * 2 + 1 <end:
left = root * 2 + 1
right = left + 1
maxelem = left if right>end or nums[right]<nums[left] else right
if nums[root] > nums[maxelem]: break
nums[maxelem], nums[root] = nums[root], nums[maxelem]
root = maxelem
递归函数 down_adjust(nums,root,end) 可以修改成非递归函数
def downAdjust(nums,root,end):
if root * 2 +1<=end:
left = root * 2 +1
right = left +1
maxelem = left if right>end or nums[left]>nums[right] else right
if nums[root]>nums[maxelem]:return
nums[root],nums[maxelem] = nums[maxelem],nums[root]
downAdjust(nums,maxelem,end)
进一步优化生成大顶堆的代码
def generateBigheap(nums):
end = len(nums)-1
for root in range((end-1)//2,-1,-1):
downAdjust(nums,root,end)
快排 [O(n*log2(n)) ~ O(n^2)]
主要用到了基准元素和双指针,以及递归思想
- 双指针移动和 leetcode 11,42,407, 容器,接雨水,二维雨水,坑 文中对墙的移动相似。本文中每次数组被修改位置的指针,向着另一个指针的方向挪动1位
- 双指针每一次碰头的时候,基准元素到达了最终位置。草图中展示了双指针一次碰头的过程。
- 找到了最终位置的基准元素将列表一分为二,下一步需要递归地去找下一个基准元素的位置,直到找到所有的基准元素
最坏情况是 原数组从大到小排序时,基准元素无法把列表一分为二(拿到的基准元素是最小的或者最大的)
快排草图


如果基准元素总是能把上一个数组分成2份,就是最好情况,时间复杂度O(n*log2(n))
如果基准元素总是无法把上一个数组分成2份,就是最差情况,时间复杂度O(n*n)
def quickSort(nums,start,end):
i = start
j = end
if start>=end:return
base = i
b = nums[base]
while i<j:
while nums[j] >= b and i<j:j-=1
nums[i] = nums[j]
while nums[i]<=b and i<j:i+=1
nums[j] = nums[i]
nums[i] = b
quickSort(nums,start,j-1)
quickSort(nums,j+1,end)
ans = quickSort(nums,0,len(nums)-1)
冒泡排序
每次都从第一个元素开始,相邻元素进行交换,大的元素会被交换到相对靠后面的位置,最大的元素在末尾。如果把这个过程称做冒泡的话,第i次冒泡就是把第i大的元素放在了正确的位置上。
如果某一次冒泡,未发生一次交换,说明数组已经排好序了。
下面是完成一次冒泡,最大的元素放到了最后面

def bubbleSort(nums):
for i in range(len(nums)-1):
flag = False
for j in range(len(nums)-i-1):
if nums[j]>nums[j+1]:
nums[j],nums[j+1] = nums[j+1],nums[j]
flag = True
if not flag:break
return nums
选择排序
每次选择第i小的元素,放在i号位置
def selectSort(nums):
for i in range(len(nums)-1):
mi = i
for j in range(i,len(nums)):
if nums[mi]>nums[j]:
mi = j
nums[i],nums[mi] = nums[mi],nums[i]
return nums
插入排序
把数组分为有序[0,i]和无序部分[i:],把第i个待插入的元素,从i-1处开始比较直到比较到0,决定插入有序部分[0,i]某个位置

def insertSort(nums):
for i in range(1,len(nums)): # 第i个待插入的元素,可选择的位置 [0,i]
for j in range(i,0,-1):
if nums[j]<nums[j-1]:
nums[j-1],nums[j] = nums[j],nums[j-1]
else:break
return nums
希尔排序
gap(n) 产生增量列表(从大到小,最好是互质,最小是1),以增量为gap,步长为1,进行滑窗并交换元素值

def shellSort(nums):
for s in gap(len(nums)):
for i in range(len(nums)-s):
if nums[i]>nums[i+s]:nums[i],nums[i+s] = nums[i+s],nums[i]
def gap(n):
gaps = []
i = 1
while pow(2,i)-1<n:
gaps.append(pow(2,i)-1)
i+=1
gaps.reverse()
return gaps

本文详细介绍归并排序、堆排序、快速排序等经典排序算法的原理与实现,包括动图演示和代码示例,帮助读者深入理解算法的工作机制。
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