LeetCode 215. Kth Largest Element in an Array(最小堆/快速排序)

本文介绍了一种在无序数组中查找第K大元素的有效算法。通过使用最小堆和快速排序的分治策略,提供了两种解决方案,分别适用于不同的场景。最小堆方法在处理大量数据时更为稳定,而分治策略在特定情况下能提供更高效的性能。

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Kth Largest Element in an Array

algorithms Medium (47.26%) 1900 160

Find the kth largest element in an unsorted array. Note that it is the kth largest element in the sorted order, not the kth distinct element.

Example 1:

Input: [3,2,1,5,6,4] and k = 2
Output: 5
Example 2:

Input: [3,2,3,1,2,4,5,5,6] and k = 4
Output: 4
Note:
You may assume k is always valid, 1 ≤ k ≤ array’s length.

题意

找到无序数组中第k大的元素

思路

【方法1】
维护一个大小为k的最小堆,遍历数组,如果数组元素比堆顶元素大,则用该元素替换堆顶元素。时间复杂度为O(nlogk).
【方法2】
用快速排序中分治的思想
取基准元素,将无序数组分为前后两段,前段所有元素的值小于等于基准,后段所有元素的值大于等于基准。记后段的长度为blen, 每次切分时,每次分治时,分3种情况讨论:

  • blen = k-1: 此时说明有k-1个数大于等于基准,基准就是第k大大数,直接返回基准
  • blen < k-1:此时说明第k大的数在前段,在前段中查找第(k-blen-1)大的数
  • blen > k-1:说明此时第k大的数在后段,在后段中查找第k大的数
    此外还要注意类快排的分治法性能不稳定,分治的均匀性会影响算法的时间复杂度,分治越不均匀,算法效率越低。因此,当k=1或k=n时不要分治了,直接O(n)遍历数组求最大/最小值即可。这个优化可以大大提高效率。而最小堆解法性能稳定,不需要对k=1和k=n进行特殊处理。

代码

【java的最小堆解法】

/*
 * @lc app=leetcode id=215 lang=java
 *
 * [215] Kth Largest Element in an Array
 */
class Solution {
    public int findKthLargest(int[] nums, int k) {
        PriorityQueue<Integer> pq = new PriorityQueue<Integer>(k);
        int i = 0;
        for (i=0; i<k; i++)
        {
            pq.add(nums[i]);
        }
        for (int n = nums.length; i<n; i++)
        {
            if (nums[i] > pq.peek())
            {
                pq.poll();
                pq.add(nums[i]);
            }
        }
        return pq.peek();
    }
}

【go的分治解法】

/*
 * @lc app=leetcode id=215 lang=golang
 *
 * [215] Kth Largest Element in an Array
*
*  partition quick sort solution by golang
 */
func findKthLargest(nums []int, k int) int {
	return recurFindK(nums, k, 0, len(nums))
}

func recurFindK(nums []int, k int, left int, right int) int {
    if k == 1 {
        mymax := nums[left]
        for i:=left+1; i<right; i++ {
            if mymax < nums[i] {
                mymax = nums[i]
            }
        }
        return mymax
    } else if k == right - left {
        mymin := nums[left]
        for i:=left+1; i<right; i++ {
            if mymin > nums[i] {
                mymin = nums[i]
            }
        }
        return mymin
    }
	pivot := nums[left]
	i, j := left, right-1
	for i < j {
        for i < j && nums[j] >= pivot {
			j--
		}
        nums[i] = nums[j]
		for i < j && nums[i] <= pivot {
			i++
		}
		nums[j] = nums[i]
	}
    nums[j] = pivot
	if right - j == k {
		return pivot
	} else if right - j < k {
		return recurFindK(nums, k - right + j, left, j)
	} else {
		return recurFindK(nums, k, j+1, right)
	}
}
### 关于LeetCode215题的描述 LeetCode215题名为 **Kth Largest Element in an Array**,其问题是要求在一个无序数组中找到第k大的元素。需要注意的是,这里的“第k大”是指按照降序排列后的第k个位置上的数。 #### 解决方案概述 一种常见的解决方法是利用排序算法来实现这一目标。通过构建一个小顶(Min Heap),可以有效地获取到所需的第k大元素。这种方法的时间复杂度通常为 \(O(n \log k)\),其中 n 是数组长度,而 k 则是我们要找的目标次序[^4]。 以下是基于 Python 的解决方案代码: ```python import heapq def findKthLargest(nums, k): # 使用heapq模块中的nlargest函数直接找出前k大的数并返回最后一个即为我们想要的结果 return heapq.nlargest(k, nums)[-1] # 测试样例 nums = [3, 2, 1, 5, 6, 4] k = 2 print(findKthLargest(nums, k)) # 输出应为5 ``` 此段代码借助了 `heapq` 库里的 `nlargest` 方法简化操作流程,从而达到快速定位的目的[^5]。 另外还有一种方式就是先对整个列表完成全面排序之后再选取相应索引处数值作为最终答案;不过这种做法虽然直观却可能带来不必要的计算负担,在性能上未必优于上述提到过的最小策略。 ### 提供更高效的解答思路 除了运用内置库外还可以手动创建最大(MaxHeap), 并持续移除顶部直到剩下最后那个代表所需值为止; 或者采用分治法(Divide And Conquer Approach)像快速选择(Quickselect Algorithm)那样只关注局部区域进而减少整体迭代次数以提高效率至平均情况下的线性时间复杂度 O(N)[^6].
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