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2023-03-23 18:56:56 +08:00
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@@ -87,7 +87,7 @@ comments: true
=== "Python"
```python title="bubble_sort.py"
def bubble_sort(nums: List[int]) -> None:
def bubble_sort(nums: list[int]) -> None:
""" 冒泡排序 """
n: int = len(nums)
# 外循环:待排序元素数量为 n-1, n-2, ..., 1
@@ -295,7 +295,7 @@ comments: true
=== "Python"
```python title="bubble_sort.py"
def bubble_sort_with_flag(nums: List[int]) -> None:
def bubble_sort_with_flag(nums: list[int]) -> None:
""" 冒泡排序(标志优化) """
n: int = len(nums)
# 外循环:待排序元素数量为 n-1, n-2, ..., 1

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@@ -1,16 +1,20 @@
## 拓展到桶排序
# 桶排序
如果我们把上述 `bucket` 中的每个索引想象成一个桶,那么可以将计数排序理解为把 $n$ 个元素分配到对应的桶中,再根据桶与桶之间天然的有序性来实现排序
「桶排序 Bucket Sort」考虑设置 $k$ 个桶,并将 $n$ 个元素根据大小分配到 $k$ 个桶中,**并在每个桶内部分别执行排序**,由于桶之间的大小关系的确定的,因此最后按照桶之间的顺序将元素依次展开即可
以上解读便是「桶排序 Bucket Sort」的核心思想。具体地桶排序考虑将 $n$ 个元素根据大小范围均匀地分配到 $k$ 个桶中,由于桶之间是有序的,**因此仅需在每个桶内部执行排序**,最终按照桶之间的大小关系将元素依次排列,即可得到排序结果
假设元素平均分布在各个桶内,则每个桶内元素数量为 $\frac{n}{k}$ ;如果使用「快速排序」来实现桶内排序,则排序单个桶使用 $O(\frac{n}{k} \log\frac{n}{k})$ 时间,排序所有桶使用 $O(n \log\frac{n}{k})$ 时间。**当桶数量 $k$ 比较大时,时间复杂度则趋向于 $O(n)$**
假设使用「快速排序」来排序各个桶内的元素,每个桶内元素数量为 $\frac{n}{k}$ ,则排序单个桶使用 $O(\frac{n}{k} \log\frac{n}{k})$ 时间,排序所有桶使用 $O(n \log\frac{n}{k})$ 时间。**当桶数量 $k$ 接近 $n$ 时,时间复杂度则趋向于 $O(n)$** 。
!!! note 计数排序与桶排序的关系
**计数排序可以看作是桶排序的一种特例**。我们可以把计数排序中 `counter` 的每个索引想象成一个桶,将统计数量的过程想象成把 $n$ 个元素分配到对应的桶中,再根据桶之间的有序性输出结果,从而实现排序。
(图)
理论上桶排序的时间复杂度是 $O(n)$ **但前提是需要将元素均匀分配到各个桶中**,而这是不太容易做到。假设我们要把淘宝的 $100$ 万件商品根据价格范围平均分配到 $100$ 个桶中,由于商品价格不是均匀分布的, $1$ ~ $100$ 元的商品非常多、$1$ 元以上的商品非常少等,因此难以简单地设定各个桶的价格分界线。解决方案有
理论上桶排序的时间复杂度是 $O(n)$ **但前提是需要将元素均匀分配到各个桶中**,而这并不容易做到。假设要把淘宝的 $100$ 万件商品根据价格范围平均分配到 $100$ 个桶中,商品价格不是均匀分布的,如 $100$ 元以下的商品非常多、$1000$ 元以上的商品非常少等。如果我们将价格区间平均划分为 $100$ 份,那么各个桶内的商品数量差距会非常大。为了实现平均分配,我们一般这样做
-初步设置一个分界线,将元素分配完后,**把元素较多的桶继续划分为多个桶**,直至每个桶内元素数量合理为止;该做法一般使用递归实现
- 如果我们提前知道商品价格的概率分布,**则可以根据已知分布来设置每个桶的价格分界线**;值得说明的是,数据分布不一定需要 case-by-case 地统计,有时可以采用一些常见分布来近似,例如自然界的正态分布;
-粗略设置分界线,将元素分配完后,**把元素较多的桶继续划分为多个桶**,直至所有桶内元素数量合理为止;该做法本质上是一个递归树
- 如果我们提前知道商品价格的概率分布,**则可以根据已知分布来设置每个桶的价格分界线**;值得说明的是,数据分布不一定需要特意统计,也可以根据数据特点采用某种常见概率模型来近似,例如自然界的正态分布
(图)
(图)
另外,排序桶内元素需要选择一种合适的排序算法,比如快速排序。

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@@ -77,7 +77,7 @@ comments: true
=== "Python"
```python title="counting_sort.py"
def counting_sort_naive(nums: List[int]) -> None:
def counting_sort_naive(nums: list[int]) -> None:
""" 计数排序 """
# 简单实现,无法用于排序对象
# 1. 统计数组最大元素 m
@@ -301,7 +301,7 @@ $$
=== "Python"
```python title="counting_sort.py"
def counting_sort(nums: List[int]) -> None:
def counting_sort(nums: list[int]) -> None:
""" 计数排序 """
# 完整实现,可排序对象,并且是稳定排序
# 1. 统计数组最大元素 m

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@@ -63,7 +63,7 @@ comments: true
=== "Python"
```python title="insertion_sort.py"
def insertion_sort(nums: List[int]) -> None:
def insertion_sort(nums: list[int]) -> None:
""" 插入排序 """
# 外循环base = nums[1], nums[2], ..., nums[n-1]
for i in range(1, len(nums)):

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@@ -146,12 +146,12 @@ comments: true
=== "Python"
```python title="merge_sort.py"
def merge(nums: List[int], left: int, mid: int, right: int) -> None:
def merge(nums: list[int], left: int, mid: int, right: int) -> None:
""" 合并左子数组和右子数组 """
# 左子数组区间 [left, mid]
# 右子数组区间 [mid + 1, right]
# 初始化辅助数组 借助 copy模块
tmp: List[int] = nums[left:right + 1].copy()
# 初始化辅助数组
tmp: list[int] = list(nums[left:right + 1])
# 左子数组的起始索引和结束索引
left_start: int = 0
left_end: int = mid - left
@@ -176,7 +176,7 @@ comments: true
nums[k] = tmp[j]
j += 1
def merge_sort(nums: List[int], left: int, right: int) -> None:
def merge_sort(nums: list[int], left: int, right: int) -> None:
""" 归并排序 """
# 终止条件
if left >= right:

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@@ -100,7 +100,7 @@ comments: true
=== "Python"
```python title="quick_sort.py"
def partition(self, nums: List[int], left: int, right: int) -> int:
def partition(self, nums: list[int], left: int, right: int) -> int:
""" 哨兵划分 """
# 以 nums[left] 作为基准数
i, j = left, right
@@ -343,7 +343,7 @@ comments: true
=== "Python"
```python title="quick_sort.py"
def quick_sort(self, nums: List[int], left: int, right: int) -> None:
def quick_sort(self, nums: list[int], left: int, right: int) -> None:
""" 快速排序 """
# 子数组长度为 1 时终止递归
if left >= right:
@@ -562,7 +562,7 @@ comments: true
=== "Python"
```python title="quick_sort.py"
def median_three(self, nums: List[int], left: int, mid: int, right: int) -> int:
def median_three(self, nums: list[int], left: int, mid: int, right: int) -> int:
""" 选取三个元素的中位数 """
# 此处使用异或运算来简化代码
# 异或规则为 0 ^ 0 = 1 ^ 1 = 0, 0 ^ 1 = 1 ^ 0 = 1
@@ -572,7 +572,7 @@ comments: true
return mid
return right
def partition(self, nums: List[int], left: int, right: int) -> int:
def partition(self, nums: list[int], left: int, right: int) -> int:
""" 哨兵划分(三数取中值) """
# 以 nums[left] 作为基准数
med: int = self.median_three(nums, left, (left + right) // 2, right)
@@ -855,7 +855,7 @@ comments: true
=== "Python"
```python title="quick_sort.py"
def quick_sort(self, nums: List[int], left: int, right: int) -> None:
def quick_sort(self, nums: list[int], left: int, right: int) -> None:
""" 快速排序(尾递归优化) """
# 子数组长度为 1 时终止
while left < right: