(SUB)插入(希尔)排序时间、空间复杂度

时间avg时间min时间max空间avg稳定性

插入:O(n²)

希尔:O(n√n)(O(n^(1.3—2)))(与序列有关)

希尔:O(n^(1.3))

插入:o(n)序列已经是期望顺序了,在这种情况下,需要进行的比较操作需(n-1)次即可

希尔:O(n²)

插入:O(n²)序列是期望顺序的相反序列,那么此时需要进行的比较共有n(n-1)/2次

希尔、插入排序

使用的空间是O(1)

稳定性:

希尔:不稳定

插入:稳定

插入排序:

算法优点:稳定,快。
算法缺点:比较次数不一定,比较次数越多,插入点后的数据移动越多(特别是当数据总量庞大的时候)。但用链表可以解决这个问题

适用:当元素数量小分布有序要求稳定直接插入排序将大大减少比较次数和移动记录的次数

希尔排序

优缺:

 时间复杂度取决于所用序列:

在这里插入图片描述

不稳定;取决于增量序列选择的好坏

插入排序改进措施

  1. 优化为希尔排序:希尔排序法是对直接插入排序法的优化,通过设置一个增量,对原始序列进行分组,对每组用直接插入排序法排序再整合,再缩小增量,周而复始直至增量为1,完成排序,因此又叫“缩小增量排序法”。
            其实到希尔算法进行到最后,n的值变为1(即增量或者称跳跃数变为1)的时候,它就是直接插入排序,只不过这时候,整个序列基本上是有序的,需要交换的数据已经非常少了,提高效率。
package main.Test;

import java.util.Arrays;

public class XiErSort {

//    非递归
    private static void sort(int arr[]) {
         for(int d = arr.length/2; d >= 1; d/=2) {
             for(int i = d; i < arr.length; i++) {
                 int j = i;
                 while (j - d >= 0 && arr[j - d] > arr[j]) {
                     swap(arr, j, j - d);
                     j -= d;
                 }
             }
         }
    }

//    递归
    private static void sort(int arr[], int d) {
        for(int i = d; i < arr.length; i++) {
            int j = i;
            while (j - d >= 0 && arr[j - d] > arr[j]) {
                swap(arr, j, j - d);
                j -= d;
            }
        }
        if (d/2 >= 1)
            sort(arr, d/2);
    }

    private static void swap(int[] arr, int i, int j) {
        int tmp = arr[i];
        arr[i] = arr[j];
        arr[j] = tmp;
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[] a = new int[]{1, 2, 4, 5, 3, 1, 2, 3};
        sort(a, a.length);
        System.out.println(Arrays.toString(a));
    }
}

<think>好的,我现在需要回答用户关于希尔排序是否可以用递归方式实现的问题。首先,我应该回忆一下希尔排序的基本原理。希尔排序插入排序的一种改进版本,通过将整个数组分割成多个子序列来进行插入排序,这些子序列的元素间隔逐渐减小,直到间隔为1,也就是最后一次普通的插入排序。 用户的问题是关于使用递归思维来实现希尔排序。传统的希尔排序通常是使用迭代方法实现的,因为需要多次调整间隔序列并对每个间隔进行插入排序。递归方式可能不是最直观的选择,但理论上应该可以实现。 首先,我需要确认递归在希尔排序中的应用点。希尔排序的关键在于间隔序列的选择和每个间隔下的子序列排序。如果用递归,可能需要将间隔逐渐减小直到1,然后对每个间隔执行插入排序。但问题在于,每个间隔下的子序列排序本身是插入排序,而插入排序通常也是迭代实现的。所以,是否可以将插入排序部分也改为递归? 或者,递归可能用于处理不同的间隔。例如,先处理较大的间隔,然后递归地处理较小的间隔,直到间隔为1。这可能是递归的切入点。例如,定义一个函数,接收当前间隔作为参数,处理完当前间隔的排序后,递归调用自身处理下一个更小的间隔。 接下来,我需要考虑如何将这个过程转化为递归结构。假设我们有一个函数,参数是数组和当前的间隔gap。每次递归调用时,将gap按照某种规则减小,比如除以2,直到gap为0时停止。在每次递归调用前,执行当前gap值的插入排序。这样,递归调用的过程就替代了传统的迭代循环。 不过,希尔排序的间隔序列有多种选择,如Hibbard序列、Sedgewick序列等,但常见的是简单地将gap每次除以2,直到1。这可能适合递归实现,因为每次递归只需要处理当前的gap,然后调用自身处理下一个gap。 然后,我需要考虑插入排序部分是否可以用递归实现。插入排序本身也可以递归实现,比如对于每个元素,递归地将前面的元素排序,然后插入当前元素到正确的位置。所以,整个希尔排序的递归实现可能包括两个递归部分:外层处理不同的gap值,内层处理每个gap下的插入排序递归。 不过,这样的递归可能会导致较深的调用栈,尤其是对于较大的数组,可能会有栈溢出的风险。但作为理论上的实现,是可行的。 现在,我需要验证这种思路是否正确。例如,假设gap初始为n/2,然后递归调用gap/2,直到gap为0。每次递归调用前,对当前gap进行插入排序。但需要注意,当gap为0时应该停止,但通常希尔排序最后一步是gap=1,所以可能需要调整终止条件。 另外,插入排序的递归实现可能需要一个辅助函数,处理子数组的插入。例如,递归插入排序函数处理前k个元素,然后将第k+1个元素插入到正确的位置。 接下来,我需要考虑具体的代码实现。例如,递归希尔排序函数可能如下: def shell_sort_recursive(arr, gap): if gap <= 0: return # 对当前gap进行插入排序 # 这里可能需要另一个递归函数来处理插入排序 # 然后递归调用更小的gap shell_sort_recursive(arr, gap // 2) 然后,插入排序的递归实现可能为: def insertion_sort_recursive(arr, n): if n <= 1: return insertion_sort_recursive(arr, n-1) key = arr[n-1] j = n-2 while j >=0 and arr[j] > key: arr[j+1] = arr[j] j -= 1 arr[j+1] = key 但需要修改这个插入排序以适应不同的gap,即在希尔排序中,每个子序列是间隔gap的元素。例如,当gap为k时,每个子序列由arr[i], arr[i+k], arr[i+2k], ...组成。因此,在希尔排序的每个gap步骤中,需要对每个子序列进行插入排序。 但是,如何将间隔为gap的插入排序递归化呢?可能需要为每个子序列单独处理,或者修改插入排序函数以处理间隔。例如,对于每个起始位置i从0到gap-1,处理子序列arr[i], arr[i+gap], arr[i+2gap], ...,然后对这些子序列进行插入排序。这部分如果用递归的话,可能需要嵌套多个递归函数,处理每个子序列的插入排序。 不过,这样的递归实现会变得非常复杂,因为需要同时处理gap的递减和每个gap下的子序列插入排序。递归的层数可能较多,效率可能不高,但作为理论上的实现是可能的。 总结来说,希尔排序可以通过递归方式实现,外层递归处理不同的间隔gap,每次递归调用处理更小的gap,直到gap为1。而每个gap下的插入排序也可以使用递归实现,处理每个子序列的排序。虽然实际应用中可能更倾向于迭代实现,但递归在理论上是可行的。 现在需要编写具体的递归实现代码。例如,在Python中,可以定义shell_sort函数,接收数组和当前gap,递归调用自身直到gap为0。同时,在每次递归调用前,执行当前gap的插入排序插入排序部分可以递归地处理子序列。 但需要注意的是,希尔排序通常是在原数组上进行操作,因此递归函数需要修改原数组。另外,子序列的处理可能需要遍历每个起始位置,然后对每个子序列进行插入排序。例如,当gap为k时,对于i从0到k-1,处理子序列arr[i], arr[i+k], arr[i+2k], ...,并对这个子序列应用插入排序。 将插入排序递归化的话,可以针对每个子序列,递归地插入元素。例如,对于一个子序列,假设其长度为m,递归地对前m-1个元素排序,然后将第m个元素插入正确的位置。 因此,综合起来,递归的希尔排序实现可能包含以下步骤: 1. 定义递归函数处理不同的gap值。 2. 对当前gap值,遍历每个子序列的起始位置。 3. 对每个子序列应用递归的插入排序。 4. 递归调用处理下一个更小的gap值。 这样的代码结构可能会比较复杂,但可以尝试编写示例代码。需要注意的是,Python中的列表是可变对象,因此在递归过程中可以直接修改原数组。 例如,一个可能的递归实现如下: def shell_sort_recursive(arr, gap): if gap <= 0: return # 对当前gap进行插入排序 n = len(arr) # 遍历每个子序列的起始位置 for i in range(gap): # 对子序列进行插入排序,这里可以调用递归插入排序函数 insertion_sort_recursive_sub(arr, i, gap) # 递归处理下一个gap shell_sort_recursive(arr, gap // 2) def insertion_sort_recursive_sub(arr, start, gap): # 处理子序列arr[start], arr[start+gap], arr[start+2gap], ... # 获取子序列的长度 n = len(arr) sub_length = (n - start + gap - 1) // gap if sub_length <= 1: return # 递归排序sub_length-1个元素 insertion_sort_recursive_sub(arr, start, gap, sub_length - 1) # 插入最后一个元素到正确的位置 last = start + (sub_length - 1)*gap key = arr[last] j = last - gap while j >= start and arr[j] > key: arr[j + gap] = arr[j] j -= gap arr[j + gap] = key 不过,上述代码可能存在参数传递的问题,比如insertion_sort_recursive_sub需要更多的参数来跟踪当前处理的子序列的位置和长度。可能需要调整函数定义,例如传递start、gap、current_length等参数。 例如,更详细的插入排序递归函数可能如下: def insertion_sort_recursive_sub(arr, start, gap, length): if length <= 1: return # 先递归排序前length-1个元素 insertion_sort_recursive_sub(arr, start, gap, length - 1) # 插入第length个元素到正确位置 last_index = start + (length - 1) * gap key = arr[last_index] j = last_index - gap while j >= start and arr[j] > key: arr[j + gap] = arr[j] j -= gap arr[j + gap] = key 然后在shell_sort_recursive中,对每个子序列计算其长度,并调用这个函数。 不过,这样的实现可能较为复杂,且需要多次递归调用,可能导致效率低下,但对于理解递归思路是可行的。 总结来说,希尔排序可以通过递归实现,主要分为两部分:递归处理不同的间隔gap,以及递归处理每个间隔下的子序列插入排序。虽然实际应用中迭代方式更为高效和常见,但递归方式在理论上是可行的,并且可以帮助理解分治和递归的思想。</think>希尔排序可以通过递归方式实现,但需要结合其分步缩小间隔(gap)的特性进行调整。以下是递归实现的思路和示例: ### 递归实现思路 1. **外层递归控制间隔序列**:从初始间隔开始,每次递归缩小间隔(例如`gap = gap//2`),直到间隔为1。 2. **内层递归实现插入排序**:对每个间隔下的子序列,使用递归方式完成插入排序。 ### 递归代码示例 ```python def shell_sort_recursive(arr, gap): if gap < 1: return n = len(arr) # 对当前gap的所有子序列进行递归插入排序 for i in range(gap): insertion_sort_recursive_sub(arr, i, gap, 1) # 从子序列的第1个元素开始 # 递归缩小gap shell_sort_recursive(arr, gap // 2) def insertion_sort_recursive_sub(arr, start, gap, k): current = start + k * gap if current >= len(arr): return # 递归处理前k个元素 insertion_sort_recursive_sub(arr, start, gap, k + 1) # 插入当前元素到正确位置 key = arr[current] j = current - gap while j >= start and arr[j] > key: arr[j + gap] = arr[j] j -= gap arr[j + gap] = key # 调用示例 arr = [9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1] shell_sort_recursive(arr, len(arr)//2) print(arr) # 输出:[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] ``` ### 关键点说明 1. **外层递归控制间隔**:`shell_sort_recursive`函数负责按间隔序列缩小范围,每次递归调用时传入新的间隔值(如`gap//2`)。 2. **内层递归插入排序**:`insertion_sort_recursive_sub`函数递归处理子序列的插入排序。参数`k`表示当前处理的子序列元素序号(从0开始逐步扩展子序列长度)。 3. **终止条件**:当间隔`gap`小于1时,递归终止。 ### 注意事项 - 递归实现的时间复杂度仍为$O(n^{1.5} \sim n^2)$,但递归调用可能增加栈空间开销[^1]。 - 实际应用中更推荐迭代实现以提高效率。
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