与排序后位置距离<k的数组的排序

本文介绍了一种针对特定数组特点的排序算法,该算法利用数组中每个元素与其排序后位置距离不超过k的特点,通过递归划分及普通快速排序相结合的方式实现高效排序。最终达到O(n*logk)的时间复杂度。

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阿里巴巴笔试题:
一个含有n个互不相同的整数的数组,任意一个数a[i]的现有位置i和它排序后的位置j的距离不超过k(即i-j的绝对值小于等于k),2=<k<n;n远远大于k;根据数组特点设计一算法对数组进行排序。

要求:算法复杂度为O(nlogn)记0分,为O(nk)记2分。满分20分


解法1:
只对中间2k个元素划分,然后递归。
第一层2k步,第二层2^2*k步,一直到第log(n/2k)层,一共2*(1 + 2 + ... 2^(log(n/2k)-1) ) *k = 2*(n/2k -1)*k = n - 2k步


递归log(n/2k)层之后,每组都小于2k个元素。使用普通的快速排序。总共n/2k组,每组2k*log(2k)步,一共n/2k* (2k*log(2k)) = n*log(2k)


总计n-2k + n*log(2k) = n - 2k + n*(1+logk) = 2n - 2k + n*logk


时间复杂度O(n*logk)


解法2:

使用大小为k的最小堆

### Java 中数组排序的时间复杂度 #### 冒泡排序 冒泡排序是一种简单的排序算法,通过重复地遍历要排序的列表,依次比较相邻元素并交换顺序不对的元素位置。对于给定的一个长度为 \(n\) 的数组,该方法需要两重嵌套循环来完成整个过程。 在外层循环中,每一轮迭代都会使最大的未排序元素“浮上”至其正确的位置;内层循环负责实际的比较可能发生的交换操作。因此,在最坏的情况下——当输入数据完全逆序时,此算法需执行大约 \(\frac{n(n-1)}{2}\) 次比较和最多同样数量级次数的数据移动[^1]。这表明冒泡排序具有 O\(n^2\) 的时间复杂度。 ```java public static void bubbleSort(int[] arr) { int n = arr.length; for (int i = 0; i < n - 1; i++) { for (int j = 0; j < n - i - 1; j++) { if (arr[j] > arr[j + 1]) { // Swap elements int temp = arr[j]; arr[j] = arr[j + 1]; arr[j + 1] = temp; } } } } ``` #### 插入排序 插入排序的工作原理类似于人们整理手中的扑克牌。它构建有序序列的过程是从第二个元素开始向前扫描已有的部分,并找到合适的地方将其插入进去。如果待排序列已经接近于升序,则效率较高;但在最差情形下(如初始状态为降序),每一项都需要被移回原处之前的所有位置,从而导致性能下降到 O\(n^2\)[^2]。 ```java // Insertion Sort implementation not shown here but mentioned in the reference. ``` #### 基数排序 基数排序基于多关键字分类的思想实现非比较型整数排序法之一。具体来说,它是按照低位先处理的方式逐位对数字进行分组排列直到最高位为止。由于每次分配都涉及线性扫描所有记录加上重新组装结果集的操作,总体而言,它的运行时间为 O\(kn\) ,这里 k 表示数值的最大位宽或字符数目[^3]。 ```java // Radix Sort implementation details omitted as per provided references. ``` #### 归并排序快速排序 这两种都是高效的对比类内部排序方式,它们利用了递归分解问题规模的方法论。特别是快速排序以其平均情况下良好的表现而闻名,尽管存在极端条件下退化成平方级别的风险。相比之下,归并排序则始终保持着稳定且可预测的 O\(n log n\) 性能特征[^4]。 ```java // Merge and Quick Sort implementations are typically recursive algorithms that divide arrays into smaller parts before sorting them individually then merging back together or partitioning around a pivot element respectively. ``` #### 希尔排序 希尔排序是对简单插入排序的一种改进版本,也称为缩小增量排序。它不是按单一间隔逐步调整元素之间的相对次序,而是采用多个不同的步长来进行预排序工作,最终使得全局范围内的无序程度大大降低后再应用标准形式下的直接插入技术加以完善。这种策略有效地减少了不必要的远距离跳跃动作,提高了整体速度。然而,确切的时间消耗取决于所选增量序列的选择,通常介乎 O\(n^{1.5}\) 到 O\(n(log_2n)^2\) 不等之间[^5]。 ```java import java.util.Arrays; public class ShellSortExample { public static void main(String[] args) { int[] arrayToBeSorted = {2, 1, 5, 7, 4, 13, 66, 34}; shellSort(arrayToBeSorted); System.out.println(Arrays.toString(arrayToBeSorted)); } private static void shellSort(int[] data) { for (int gap = data.length / 2; gap > 0; gap /= 2) { for (int i = gap; i < data.length; ++i) { final int currentElement = data[i]; int position = i; while ((position >= gap) && (data[position - gap] > currentElement)) { data[position] = data[position - gap]; position -= gap; } data[position] = currentElement; } } } } ```
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