数据结构与算法(4)

1536-林同学

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本节主要讲解的是部分排序算法,包括冒泡排序、选择排序、插入排序 、希尔排序。

排序算法(英语:Sorting algorithm)是一种能将一串数据依照特定顺序进行排列的一种算法。


排序算法的稳定性

稳定性:稳定排序算法会让原本有相等键值的纪录维持相对次序。也就是如果一个排序算法是稳定的,当有两个相等键值的纪录R和S,且在原本的列表中R出现在S之前,在排序过的列表中R也将会是在S之前。

当相等的元素是无法分辨的,比如像是整数,稳定性并不是一个问题。然而,假设以下的数对将要以他们的第一个数字来排序。

(4, 1) (3, 1) (3, 7)(5, 6)

在这个状况下,有可能产生两种不同的结果,一个是让相等键值的纪录维持相对的次序,而另外一个则没有:

(3, 1) (3, 7) (4, 1) (5, 6) (维持次序)

(3, 7) (3, 1) (4, 1) (5, 6) (次序被改变)

不稳定排序算法可能会在相等的键值中改变纪录的相对次序,但是稳定排序算法从来不会如此。不稳定排序算法可以被特别地实现为稳定。作这件事情的一个方式是人工扩充键值的比较,如此在其他方面相同键值的两个对象间之比较,(比如上面的比较中加入第二个标准:第二个键值的大小)就会被决定使用在原先数据次序中的条目,当作一个同分决赛。然而,要记住这种次序通常牵涉到额外的空间负担。

1. 冒泡排序

冒泡排序(英语:Bubble Sort)是一种简单的排序算法。它重复地遍历要排序的数列,一次比较两个元素,如果他们的顺序错误就把他们交换过来。遍历数列的工作是重复地进行直到没有再需要交换,也就是说该数列已经排序完成。这个算法的名字由来是因为越小的元素会经由交换慢慢“浮”到数列的顶端。
冒泡排序算法的运作如下:
比较相邻的元素。如果第一个比第二个大(升序),就交换他们两个。
对每一对相邻元素作同样的工作,从开始第一对到结尾的最后一对。这步做完后,最后的元素会是最大的数。
针对所有的元素重复以上的步骤,除了最后一个。
持续每次对越来越少的元素重复上面的步骤,直到没有任何一对数字需要比较。

1.1 冒泡排序的分析

交换过程图示(第一次):
数据结构与算法(4)

那么我们需要进行n-1次冒泡过程,每次对应的比较次数如下图所示:
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1.2 冒泡排序的实现与时间复杂度

def bubble_sort(alist):
    for j in range(len(alist)-1,0,-1):
        # j表示每次遍历需要比较的次数,是逐渐减小的
        for i in range(j):
            if alist[i] > alist[i+1]:
                alist[i], alist[i+1] = alist[i+1], alist[i]

li = [54,26,93,17,77,31,44,55,20]
bubble_sort(li)
print(li)

最优时间复杂度:O(n) (表示遍历一次发现没有任何可以交换的元素,排序结束。)
最坏时间复杂度:O(n2)
稳定性:稳定
效果:
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2. 选择排序

选择排序(Selection sort)是一种简单直观的排序算法。它的工作原理如下。首先在未排序序列中找到最小(大)元素,存放到排序序列的起始位置,然后,再从剩余未排序元素中继续寻找最小(大)元素,然后放到已排序序列的末尾。以此类推,直到所有元素均排序完毕。
选择排序的主要优点与数据移动有关。如果某个元素位于正确的最终位置上,则它不会被移动。选择排序每次交换一对元素,它们当中至少有一个将被移到其最终位置上,因此对n个元素的表进行排序总共进行至多n-1次交换。在所有的完全依靠交换去移动元素的排序方法中,选择排序属于非常好的一种。

2.1 选择排序的分析

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红色表示当前最小值,黄色表示已排序序列,蓝色表示当前位置。

2.2 选择排序的实现与时间复杂度

def selection_sort(alist):
    n = len(alist)
    # 需要进行n-1次选择操作
    for i in range(n-1):
        # 记录最小位置
        min_index = i
        # 从i+1位置到末尾选择出最小数据
        for j in range(i+1, n):
            if alist[j] < alist[min_index]:
                min_index = j
        # 如果选择出的数据不在正确位置,进行交换
        if min_index != i:
            alist[i], alist[min_index] = alist[min_index], alist[i]

alist = [54,226,93,17,77,31,44,55,20]
selection_sort(alist)
print(alist)

最优时间复杂度:O(n2)
最坏时间复杂度:O(n2)
稳定性:不稳定(考虑升序每次选择最大的情况)选择演示:
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3. 插入排序

插入排序(英语:Insertion Sort)是一种简单直观的排序算法。它的工作原理是通过构建有序序列,对于未排序数据,在已排序序列中从后向前扫描,找到相应位置并插入。插入排序在实现上,在从后向前扫描过程中,需要反复把已排序元素逐步向后挪位,为最新元素提供插入空间。

3.1 插入排序的分析

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3.2 插入排序的实现与时间复杂度

def insert_sort(alist):
    # 从第二个位置,即下标为1的元素开始向前插入
    for i in range(1, len(alist)):
        # 从第i个元素开始向前比较,如果小于前一个元素,交换位置
        for j in range(i, 0, -1):
            if alist[j] < alist[j-1]:
                alist[j], alist[j-1] = alist[j-1], alist[j]

alist = [54,26,93,17,77,31,44,55,20]
insert_sort(alist)
print(alist)

最优时间复杂度:O(n) (升序排列,序列已经处于升序状态)
最坏时间复杂度:O(n2)
稳定性:稳定
演示:
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4. 希尔排序

希尔排序(Shell Sort)是插入排序的一种。也称缩小增量排序,是直接插入排序算法的一种更高效的改进版本。希尔排序是非稳定排序算法。该方法因DL.Shell于1959年提出而得名。 希尔排序是把记录按下标的一定增量分组,对每组使用直接插入排序算法排序;随着增量逐渐减少,每组包含的关键词越来越多,当增量减至1时,整个文件恰被分成一组,算法便终止。

4.1 希尔排序的分析

希尔排序的基本思想是:将数组列在一个表中并对列分别进行插入排序,重复这过程,不过每次用更长的列(步长更长了,列数更少了)来进行。最后整个表就只有一列了。将数组转换至表是为了更好地理解这算法,算法本身还是使用数组进行排序。
例如,假设有这样一组数[ 13 14 94 33 82 25 59 94 65 23 45 27 73 25 39 10 ],如果我们以步长为5开始进行排序,我们可以通过将这列表放在有5列的表中来更好地描述算法,这样他们就应该看起来是这样(竖着的元素是步长组成):
13 14 94 33 82
25 59 94 65 23
45 27 73 25 39
10
然后我们对每列进行排序:
10 14 73 25 23
13 27 94 33 39
25 59 94 65 82
45
将上述四行数字,依序接在一起时我们得到:[ 10 14 73 25 23 13 27 94 33 39 25 59 94 65 82 45 ]。这时10已经移至正确位置了,然后再以3为步长进行排序:
10 14 73
25 23 13
27 94 33
39 25 59
94 65 82
45
排序之后变为:
10 14 13
25 23 33
27 25 59
39 65 73
45 94 82
94
最后以1步长进行排序(此时就是简单的插入排序了)
数据结构与算法(4)

4.2 希尔排序的实现与时间复杂度

def shell_sort(alist):
    n = len(alist)
    # 初始步长
    gap = n // 2
    while gap > 0:
        # 按步长进行插入排序
        for i in range(gap, n):
            j = i
            # 插入排序
            while j>=gap and alist[j-gap] > alist[j]:
                alist[j-gap], alist[j] = alist[j], alist[j-gap]
                j -= gap
        # 得到新的步长
        gap = gap // 2

alist = [54,26,93,17,77,31,44,55,20]
print(alist)
shell_sort(alist)
print(alist)

最优时间复杂度:根据步长序列的不同而不同
最坏时间复杂度:O(n2)
稳定想:不稳定
演示:
数据结构与算法(4)
希尔排序在处理得当时(步长得到良好的选择时)会得到比插入排序更低的复杂度。

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原文地址:《数据结构与算法(4)》 发布于2021-02-19

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