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<h1 id="113">11.3. 插入排序<a class="headerlink" href="#113" title="Permanent link">¶</a></h1>
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<p>「插入排序 Insertion Sort」是一种基于 <strong>数组插入操作</strong> 的排序算法。</p>
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<p>「插入操作」原理:选定某个待排序元素为基准数 <code>base</code>,将 <code>base</code> 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。</p>
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<p>回忆数组插入操作,我们需要将从目标索引到 <code>base</code> 之间的所有元素向右移动一位,然后再将 <code>base</code> 赋值给目标索引。</p>
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<p>「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 <code>base</code> ,将 <code>base</code> 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。</p>
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<p>回顾数组插入操作,我们需要将从目标索引到 <code>base</code> 之间的所有元素向右移动一位,然后再将 <code>base</code> 赋值给目标索引。</p>
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<p><img alt="单次插入操作" src="../insertion_sort.assets/insertion_operation.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 单次插入操作 </p>
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<h2 id="1131">11.3.1. 算法流程<a class="headerlink" href="#1131" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>循环执行插入操作:</p>
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<p>插入排序的整体流程如下:</p>
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<ol>
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<li>先选取数组的 <strong>第 2 个元素</strong> 为 <code>base</code> ,执行插入操作后,<strong>数组前 2 个元素已完成排序</strong>。</li>
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<li>选取 <strong>第 3 个元素</strong> 为 <code>base</code> ,执行插入操作后,<strong>数组前 3 个元素已完成排序</strong>。</li>
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<li>以此类推……最后一轮选取 <strong>数组尾元素</strong> 为 <code>base</code> ,执行插入操作后,<strong>所有元素已完成排序</strong>。</li>
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<li>首先,选取数组的第 2 个元素作为 <code>base</code> ,执行插入操作后,<strong>数组的前 2 个元素已排序</strong>。</li>
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<li>接着,选取第 3 个元素作为 <code>base</code> ,执行插入操作后,<strong>数组的前 3 个元素已排序</strong>。</li>
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<li>以此类推,在最后一轮中,选取数组尾元素作为 <code>base</code> ,执行插入操作后,<strong>所有元素均已排序</strong>。</li>
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</ol>
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<p><img alt="插入排序流程" src="../insertion_sort.assets/insertion_sort_overview.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 插入排序流程 </p>
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@@ -1928,21 +1927,21 @@
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</div>
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<h2 id="1132">11.3.2. 算法特性<a class="headerlink" href="#1132" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p><strong>时间复杂度 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span></strong> :最差情况下,各轮插入操作循环 <span class="arithmatex">\(n - 1\)</span> , <span class="arithmatex">\(n-2\)</span> , <span class="arithmatex">\(\cdots\)</span> , <span class="arithmatex">\(2\)</span> , <span class="arithmatex">\(1\)</span> 次,求和为 <span class="arithmatex">\(\frac{(n - 1) n}{2}\)</span> ,使用 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span> 时间。输入数组完全有序下,达到最佳时间复杂度 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> ,因此是“自适应排序”。</p>
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<p><strong>空间复杂度 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span></strong> :指针 <span class="arithmatex">\(i\)</span> , <span class="arithmatex">\(j\)</span> 使用常数大小的额外空间,因此是“原地排序”。</p>
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<p>在插入操作中,我们会将元素插入到相等元素的右边,不会改变它们的次序,因此是“稳定排序”。</p>
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<p><strong>时间复杂度 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span></strong> :最差情况下,每次插入操作分别需要循环 <span class="arithmatex">\(n - 1\)</span> , <span class="arithmatex">\(n-2\)</span> , <span class="arithmatex">\(\cdots\)</span> , <span class="arithmatex">\(2\)</span> , <span class="arithmatex">\(1\)</span> 次,求和得到 <span class="arithmatex">\(\frac{(n - 1) n}{2}\)</span> ,因此时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span> 。当输入数组完全有序时,插入排序达到最佳时间复杂度 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> ,因此是“自适应排序”。</p>
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<p><strong>空间复杂度 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span></strong> :指针 <span class="arithmatex">\(i\)</span> , <span class="arithmatex">\(j\)</span> 使用常数大小的额外空间,所以插入排序是“原地排序”。</p>
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<p>在插入操作过程中,我们会将元素插入到相等元素的右侧,不会改变它们的顺序,因此是“稳定排序”。</p>
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<h2 id="1133">11.3.3. 插入排序优势<a class="headerlink" href="#1133" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>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 <span class="arithmatex">\(\frac{(n - 1) n}{2}\)</span> 。但不同的是:</p>
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<p>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 <span class="arithmatex">\(\frac{(n - 1) n}{2}\)</span> 。然而,它们之间存在以下差异:</p>
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<ul>
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<li>冒泡操作基于 <strong>元素交换</strong> 实现,需要借助一个临时变量实现,共 3 个单元操作;</li>
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<li>插入操作基于 <strong>元素赋值</strong> 实现,只需 1 个单元操作;</li>
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<li>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;</li>
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<li>插入操作基于元素赋值实现,仅需 1 个单元操作;</li>
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</ul>
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<p>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(例如 Java)的内置排序函数都使用到了插入排序,大致思路为:</p>
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<p>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:</p>
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<ul>
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<li>对于 <strong>长数组</strong>,采用基于分治的排序算法,例如「快速排序」,时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n \log n)\)</span> ;</li>
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<li>对于 <strong>短数组</strong>,直接使用「插入排序」,时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span> ;</li>
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<li>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 <span class="arithmatex">\(O(n \log n)\)</span> ;</li>
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<li>对于短数组,直接使用「插入排序」,时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span> ;</li>
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</ul>
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<p>虽然插入排序比快速排序的时间复杂度更高,<strong>但实际上在数据量较小时插入排序更快</strong>,这是因为复杂度中的常数项(即每轮中的单元操作数量)占主导作用。这个现象与「线性查找」和「二分查找」的情况类似。</p>
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<p>尽管插入排序的时间复杂度高于快速排序,<strong>但在数据量较小的情况下,插入排序实际上更快</strong>。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)起主导作用。这个现象与「线性查找」和「二分查找」的情况相似。</p>
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