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2023-08-21 19:32:37 +08:00
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前述的几种排序算法都属于“基于比较的排序算法”,它们通过比较元素间的大小来实现排序。此类排序算法的时间复杂度无法超越 $O(n \log n)$ 。接下来,我们将探讨几种“非比较排序算法”,它们的时间复杂度可以达到线性阶。
「桶排序 bucket sort」是分治思想的一个典型应用。它通过设置一些具有大小顺序的桶,每个桶对应一个数据范围,将数据平均分配到各个桶中;然后,在每个桶内部分别执行排序;最终按照桶的顺序将所有数据合并。
「桶排序 bucket sort」是分治策略的一个典型应用。它通过设置一些具有大小顺序的桶,每个桶对应一个数据范围,将数据平均分配到各个桶中;然后,在每个桶内部分别执行排序;最终按照桶的顺序将所有数据合并。
## 11.8.1   算法流程
考虑一个长度为 $n$ 的数组,元素是范围 $[0, 1)$ 的浮点数。桶排序的流程如下
考虑一个长度为 $n$ 的数组,元素是范围 $[0, 1)$ 的浮点数。桶排序的流程如下图所示。
1. 初始化 $k$ 个桶,将 $n$ 个元素分配到 $k$ 个桶中。
2. 对每个桶分别执行排序(本文采用编程语言的内置排序函数)。
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桶排序的时间复杂度理论上可以达到 $O(n)$ **关键在于将元素均匀分配到各个桶中**,因为实际数据往往不是均匀分布的。例如,我们想要将淘宝上的所有商品按价格范围平均分配到 10 个桶中,但商品价格分布不均,低于 100 元的非常多,高于 1000 元的非常少。若将价格区间平均划分为 10 份,各个桶中的商品数量差距会非常大。
为实现平均分配,我们可以先设定一个大致的分界线,将数据粗略地分到 3 个桶中。**分配完毕后,再将商品较多的桶继续划分为 3 个桶,直至所有桶中的元素数量大致相等**。这种方法本质上是创建一个递归树,使叶节点的值尽可能平均。当然,不一定要每轮将数据划分为 3 个桶,具体划分方式可根据数据特点灵活选择。
为实现平均分配,我们可以先设定一个大致的分界线,将数据粗略地分到 3 个桶中。**分配完毕后,再将商品较多的桶继续划分为 3 个桶,直至所有桶中的元素数量大致相等**。
如下图所示,这种方法本质上是创建一个递归树,目标是让叶节点的值尽可能平均。当然,不一定要每轮将数据划分为 3 个桶,具体划分方式可根据数据特点灵活选择。
![递归划分桶](bucket_sort.assets/scatter_in_buckets_recursively.png)
<p align="center"> 图:递归划分桶 </p>
如果我们提前知道商品价格的概率分布,**则可以根据数据概率分布设置每个桶的价格分界线**。值得注意的是,数据分布并不一定需要特意统计,也可以根据数据特点采用某种概率模型进行近似。如下图所示,我们假设商品价格服从正态分布,这样就可以合理地设定价格区间,从而将商品平均分配到各个桶中。
如果我们提前知道商品价格的概率分布,**则可以根据数据概率分布设置每个桶的价格分界线**。值得注意的是,数据分布并不一定需要特意统计,也可以根据数据特点采用某种概率模型进行近似。
如下图所示,我们假设商品价格服从正态分布,这样就可以合理地设定价格区间,从而将商品平均分配到各个桶中。
![根据概率分布划分桶](bucket_sort.assets/scatter_in_buckets_distribution.png)