【搞定算法】归并排序及其解决逆序对数、小和问题

本文详细介绍了归并排序的原理及代码实现,重点讨论了如何利用归并排序解决逆序对数和小和问题。在逆序对数问题中,通过合并操作统计符合条件的元素对;对于小和问题,其解决方案与逆序对数类似。同时,文章提到了自底向上的归并排序实现及其注意事项。

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归并排序也是分治法一个很好的应用,先递归到最底层,然后从下往上每次两个序列进行归并合起来,是一个由上往下分开,再由下往上合并的过程

而对于每一次合并操作,对于每一次 merge 的操作过程如下:

1、准备一个额外的数组(help),使其大小为两个已经排序序列之和,该空间用来存放合并后的序列;

2、设定两个指针,最初位置分别为两个已经排序序列的起始位置;

3、比较两个指针所指向的元素,选择相对小的元素放入到合并空间,并移动指针到下一位置;

4、重复步骤3直到某一指针达到序列尾;

5、将另一序列剩下的所有元素直接复制到合并序列尾;

看下面的例子合并过程如下:

1、归并排序的代码实现

public class MergeSort {

    public static void mergeProcess(int[] arr){
        if(arr == null || arr.length < 1){
            return;
        }
        mergeProcess(arr, 0, arr.length - 1);
    }

    public static void mergeProcess(int[] arr, int left, int right){
        if(left > right){
            return;
        }
        int mid = left + ((right -left) >> 1);
        mergeProcess(arr, left, mid);
        mergeProcess(arr, mid + 1, right);
        if(arr[mid] > arr[mid + 1]){
            merge(arr, left, mid, right);
        }
    }

    public static void merge(
### 使用归并排序算法计算逆序对数量 #### 方法概述 归并排序的核心思想是分治法,即将数组分为更小的部分分别处理后再合并。在合并过程中可以统计逆序对的数量。当两个子数组被分开时,左边的子数组元素大于右边的子数组元素的情况即构成逆序对[^1]。 对于暴力解法(嵌套循环),虽然简单易懂,但由于其时间复杂度为 \( O(n^2) \),不适合大规模数据集的需求。而通过归并排序实现逆序对计数,则能将时间复杂度降低到 \( O(n\log n) \)[^2]。 --- #### 实现细节 以下是基于归并排序逆序对计数的具体逻辑: 1. **分解阶段** 将原始数组不断划分为两部分,直到每部分仅剩下一个元素为止。这一过程类似于标准的归并排序拆分操作。 2. **合并阶段** 合并已排序的子数组,在此期间完成逆序对的统计工作。具体来说: - 假设当前正在比较左半部分索引 `i` 右半部分索引 `j` 的值; - 如果发现左侧元素较大 (`arr[i] > arr[j]`),则说明从位置 `i` 到该子数组结束的所有元素都与右侧当前位置上的元素形成逆序对; - 计算这些逆序对的数量,并将其累加至全局变量中。 3. **返回结果** 当整个数组重新组合完毕后,最终得到的就是总的逆序对数目。 --- #### Python代码示例 下面是一个完整的Python程序用于演示上述方法: ```python def merge_and_count_split_inv(left, right): result = [] i = j = inv_count = 0 while i < len(left) and j < len(right): if left[i] <= right[j]: result.append(left[i]) i += 1 else: result.append(right[j]) # Count the number of split inversions. inv_count += (len(left) - i) j += 1 result.extend(left[i:]) result.extend(right[j:]) return result, inv_count def sort_and_count(array): if len(array) <= 1: return array, 0 mid = len(array) // 2 left_sorted, left_inversions = sort_and_count(array[:mid]) # Recursive call on left half right_sorted, right_inversions = sort_and_count(array[mid:]) # Recursive call on right half merged_array, split_inversions = merge_and_count_split_inv(left_sorted, right_sorted) total_inversions = left_inversions + right_inversions + split_inversions return merged_array, total_inversions if __name__ == "__main__": test_array = [2, 4, 1, 3, 5] _, num_of_inversions = sort_and_count(test_array) print(f"The number of inversion pairs is {num_of_inversions}.") ``` --- #### 结果解释 以上代码实现了归并排序的同时也完成了逆序对的统计功能。测试用例 `[2, 4, 1, 3, 5]` 中存在三对逆序关系 `(2,1), (4,1)` 及 `(4,3)` ,因此输出应显示总共有三个逆序对。 ---
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