排序算法

本文深入探讨归并排序和快速排序两种经典排序算法。归并排序采用分治策略,通过递归分解数组并合并有序子数组实现排序,稳定且时间复杂度为O(nlogn),但空间复杂度为O(n)。快速排序同样基于分治,通过原地分区减少空间消耗,时间复杂度同为O(nlogn),但非稳定排序。文章详细解析了两种算法的实现过程和特性。

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归并排序

归并排序使用的是分治思想,归并排序的核心思想还是蛮简单的:
如果要排序一个数组,我们先把数组从中间分成前后两部分,然后对前后两部分分别排序,再将排好序的两部分合并在一起,这样整个数组就都有序了。

递推公式:
merge_sort(p…r) = merge(merge_sort(p…q), merge_sort(q+1…r))
终止条件:p >= r 不用再继续分解

过程说明:
我们申请一个临时数组 tmp,大小与 A[p…r] 相同。我们用两个游标 i 和 j,分别指向 A[p…q] 和 A[q+1…r] 的第一个元素。比较这两个元素 A[i] 和 A[j],如果 A[i]<=A[j],我们就把 A[i] 放入到临时数组 tmp,并且 i 后移一位,否则将 A[j] 放入到数组 tmp,j 后移一位。
继续上述比较过程,直到其中一个子数组中的所有数据都放入临时数组中,再把另一个数组中的数据依次加入到临时数组的末尾,这个时候,临时数组中存储的就是两个子数组合并之后的结果了。最后再把临时数组 tmp 中的数据拷贝到原数组 A[p…r] 中。

归并排序是稳定算法
归并排序的时间复杂度是O(nlogn)
归并排序的空间复杂度是O(n)

快速排序

快排的思想也是分治,快排的思想是这样的:
如果要排序数组中下标从 p 到 r 之间的一组数据,我们选择 p 到 r 之间的任意一个数据作为 pivot(分区点)。我们遍历 p 到 r 之间的数据,将小于 pivot 的放到左边,将大于 pivot 的放到右边,将 pivot 放到中间。经过这一步骤之后,数组 p 到 r 之间的数据就被分成了三个部分,前面 p 到 q-1 之间都是小于 pivot 的,中间是 pivot,后面的 q+1 到 r 之间是大于 pivot 的。

递推公式:
quick_sort(p…r) = quick_sort(p…q-1) + quick_sort(q+1, r)
终止条件:
p>= r

如果我们希望快排是原地排序算法,那它的空间复杂度得是 O(1),那 partition() 分区函数就不能占用太多额外的内存空间,我们就需要在 A[p…r] 的原地完成分区操作。

 partition(A, p, r) {
              pivot := A[r]
              i := p
              for j := p to r-1 do {
                if A[j] < pivot {
                  swap A[i] with A[j]
                  i := i+1
                }
              }
 swap A[i] with A[r]
 return i

这里的处理有点类似选择排序。我们通过游标 i 把 A[p…r-1] 分成两部分。A[p…i-1] 的元素都是小于 pivot 的,我们暂且叫它“已处理区间”,A[i…r-1] 是“未处理区间”。我们每次都从未处理的区间 A[i…r-1] 中取一个元素 A[j],与 pivot 对比,如果小于 pivot,则将其加入到已处理区间的尾部,也就是 A[i] 的位置。

快速排序不是稳定算法
快速排序的时间复杂度是O(nlogn)
快速排序的空间复杂度是O(1)

可以发现,归并排序的处理过程是由下到上的,先处理子问题,然后再合并。
而快排正好相反,它的处理过程是由上到下的,先分区,然后再处理子问题。
归并排序虽然是稳定的、时间复杂度为 O(nlogn) 的排序算法,但是它是非原地排序算法。我们前面讲过,归并之所以是非原地排序算法,主要原因是合并函数无法在原地执行。
快速排序通过设计巧妙的原地分区函数,可以实现原地排序,解决了归并排序占用太多内存的问题。

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MPU6050是一款广泛应用在无人机、机器人和运动设备中的六轴姿态传感器,它集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计。这款传感器能够实时监测并提供设备的角速度和线性加速度数据,对于理解物体的动态运动状态至关重要。在Arduino平台上,通过特定的库文件可以方便地与MPU6050进行通信,获取并解析传感器数据。 `MPU6050.cpp`和`MPU6050.h`是Arduino库的关键组成部分。`MPU6050.h`是头文件,包含了定义传感器接口和函数声明。它定义了类`MPU6050`,该类包含了初始化传感器、读取数据等方法。例如,`begin()`函数用于设置传感器的工作模式和I2C地址,`getAcceleration()`和`getGyroscope()`则分别用于获取加速度和角速度数据。 在Arduino项目中,首先需要包含`MPU6050.h`头文件,然后创建`MPU6050`对象,并调用`begin()`函数初始化传感器。之后,可以通过循环调用`getAcceleration()`和`getGyroscope()`来不断更新传感器读数。为了处理这些原始数据,通常还需要进行校准和滤波,以消除噪声和漂移。 I2C通信协议是MPU6050与Arduino交互的基础,它是一种低引脚数的串行通信协议,允许多个设备共享一对数据线。Arduino板上的Wire库提供了I2C通信的底层支持,使得用户无需深入了解通信细节,就能方便地与MPU6050交互。 MPU6050传感器的数据包括加速度(X、Y、Z轴)和角速度(同样为X、Y、Z轴)。加速度数据可以用来计算物体的静态位置和动态运动,而角速度数据则能反映物体转动的速度。结合这两个数据,可以进一步计算出物体的姿态(如角度和角速度变化)。 在嵌入式开发领域,特别是使用STM32微控制器时,也可以找到类似的库来驱动MPU6050。STM32通常具有更强大的处理能力和更多的GPIO口,可以实现更复杂的控制算法。然而,基本的传感器操作流程和数据处理原理与Arduino平台相似。 在实际应用中,除了基本的传感器读取,还可能涉及到温度补偿、低功耗模式设置、DMP(数字运动处理器)功能的利用等高级特性。DMP可以帮助处理传感器数据,实现更高级的运动估计,减轻主控制器的计算负担。 MPU6050是一个强大的六轴传感器,广泛应用于各种需要实时运动追踪的项目中。通过 Arduino 或 STM32 的库文件,开发者可以轻松地与传感器交互,获取并处理数据,实现各种创新应用。博客和其他开源资源是学习和解决问题的重要途径,通过这些资源,开发者可以获得关于MPU6050的详细信息和实践指南
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