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# 11.3.   插入排序
「插入排序 Insertion Sort」是一种基于 **数组插入操作** 的排序算法。
「插入排序 Insertion Sort」是一种基于数组插入操作的排序算法。具体来说,选择一个待排序的元素作为基准值 `base` ,将 `base` 与其左侧已排序区间的元素逐一比较大小,并将其插入到正确的位置
「插入操作」原理:选定某个待排序元素为基准数 `base`,将 `base` 与其左侧已排序区间元素依次对比大小,并插入到正确位置
回忆数组插入操作,我们需要将从目标索引到 `base` 之间的所有元素向右移动一位,然后再将 `base` 赋值给目标索引。
回顾数组插入操作,我们需要将从目标索引到 `base` 之间的所有元素向右移动一位,然后再将 `base` 赋值给目标索引
![单次插入操作](insertion_sort.assets/insertion_operation.png)
@@ -16,11 +14,11 @@ comments: true
## 11.3.1.   算法流程
循环执行插入操作
插入排序的整体流程如下
1. 选取数组的 **第 2 个元素** `base` ,执行插入操作后,**数组前 2 个元素已完成排序**。
2. 选取 **第 3 个元素** `base` ,执行插入操作后,**数组前 3 个元素已完成排序**。
3. 以此类推……最后一轮选取 **数组尾元素** `base` ,执行插入操作后,**所有元素已完成排序**。
1. 首先,选取数组的第 2 个元素`base` ,执行插入操作后,**数组前 2 个元素已排序**。
2. 接着,选取第 3 个元素`base` ,执行插入操作后,**数组前 3 个元素已排序**。
3. 以此类推,在最后一轮中,选取数组尾元素作`base` ,执行插入操作后,**所有元素已排序**。
![插入排序流程](insertion_sort.assets/insertion_sort_overview.png)
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## 11.3.2.   算法特性
**时间复杂度 $O(n^2)$** :最差情况下,各轮插入操作循环 $n - 1$ , $n-2$ , $\cdots$ , $2$ , $1$ 次,求和 $\frac{(n - 1) n}{2}$ 使用 $O(n^2)$ 时间。输入数组完全有序下,达到最佳时间复杂度 $O(n)$ ,因此是“自适应排序”。
**时间复杂度 $O(n^2)$** :最差情况下,每次插入操作分别需要循环 $n - 1$ , $n-2$ , $\cdots$ , $2$ , $1$ 次,求和得到 $\frac{(n - 1) n}{2}$ 因此时间复杂度为 $O(n^2)$ 。输入数组完全有序时,插入排序达到最佳时间复杂度 $O(n)$ ,因此是“自适应排序”。
**空间复杂度 $O(1)$** :指针 $i$ , $j$ 使用常数大小的额外空间,因此是“原地排序”。
**空间复杂度 $O(1)$** :指针 $i$ , $j$ 使用常数大小的额外空间,所以插入排序是“原地排序”。
在插入操作中,我们会将元素插入到相等元素的右,不会改变它们的序,因此是“稳定排序”。
在插入操作过程中,我们会将元素插入到相等元素的右,不会改变它们的序,因此是“稳定排序”。
## 11.3.3.   插入排序优势
回顾冒泡排序」和「插入排序的复杂度分析,两者的循环轮数都是 $\frac{(n - 1) n}{2}$ 。但不同的是
回顾冒泡排序插入排序的复杂度分析,两者的循环轮数都是 $\frac{(n - 1) n}{2}$ 。然而,它们之间存在以下差异
- 冒泡操作基于 **元素交换** 实现,需要借助一个临时变量实现,共 3 个单元操作;
- 插入操作基于 **元素赋值** 实现,需 1 个单元操作;
- 冒泡操作基于元素交换实现,需要借助一个临时变量,共涉及 3 个单元操作;
- 插入操作基于元素赋值实现,需 1 个单元操作;
粗略估计,冒泡排序的计算开销约为插入排序的 3 倍,因此插入排序更受欢迎,许多编程语言(如 Java的内置排序函数都使用到了插入排序,大致思路为:
粗略估计下来,冒泡排序的计算开销约为插入排序的 3 倍,因此插入排序更受欢迎。实际上,许多编程语言(如 Java的内置排序函数都采用了插入排序,大致思路为:
- 对于 **长数组**,采用基于分治的排序算法,例如「快速排序」,时间复杂度为 $O(n \log n)$
- 对于 **短数组**,直接使用「插入排序」,时间复杂度为 $O(n^2)$
- 对于长数组,采用基于分治的排序算法,例如「快速排序」,时间复杂度为 $O(n \log n)$
- 对于短数组,直接使用「插入排序」,时间复杂度为 $O(n^2)$
虽然插入排序比快速排序的时间复杂度高,**但实际上在数据量较小插入排序更快**这是因为复杂度中的常数项(即每轮中的单元操作数量)主导作用。这个现象与「线性查找」和「二分查找」的情况似。
尽管插入排序的时间复杂度高于快速排序**但在数据量较小的情况下,插入排序实际上更快**这是因为在数据量较小时,复杂度中的常数项(即每轮中的单元操作数量)主导作用。这个现象与「线性查找」和「二分查找」的情况似。