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Polish the chapter of heap, introduction, preface.
Replace "其它" with "其他"
This commit is contained in:
+26
-26
@@ -1,25 +1,25 @@
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# 堆
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「堆 Heap」是一棵限定条件下的「完全二叉树」。根据成立条件,堆主要分为两种类型:
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「堆 Heap」是一种满足特定条件的完全二叉树,可分为两种类型:
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- 「大顶堆 Max Heap」,任意节点的值 $\geq$ 其子节点的值;
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- 「小顶堆 Min Heap」,任意节点的值 $\leq$ 其子节点的值;
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## 堆术语与性质
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堆作为完全二叉树的一个特例,具有以下特性:
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- 由于堆是完全二叉树,因此最底层节点靠左填充,其它层节点皆被填满。
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- 二叉树中的根节点对应「堆顶」,底层最靠右节点对应「堆底」。
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- 对于大顶堆 / 小顶堆,其堆顶元素(即根节点)的值最大 / 最小。
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- 最底层节点靠左填充,其他层的节点都被填满。
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- 我们将二叉树的根节点称为「堆顶」,将底层最靠右的节点称为「堆底」。
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- 对于大顶堆(小顶堆),堆顶元素(即根节点)的值分别是最大(最小)的。
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## 堆常用操作
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值得说明的是,多数编程语言提供的是「优先队列 Priority Queue」,其是一种抽象数据结构,**定义为具有出队优先级的队列**。
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需要指出的是,许多编程语言提供的是「优先队列 Priority Queue」,这是一种抽象数据结构,定义为具有优先级排序的队列。
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而恰好,**堆的定义与优先队列的操作逻辑完全吻合**,大顶堆就是一个元素从大到小出队的优先队列。从使用角度看,我们可以将「优先队列」和「堆」理解为等价的数据结构。因此,本文与代码对两者不做特别区分,统一使用「堆」来命名。
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实际上,**堆通常用作实现优先队列,大顶堆相当于元素按从大到小顺序出队的优先队列**。从使用角度来看,我们可以将「优先队列」和「堆」看作等价的数据结构。因此,本书对两者不做特别区分,统一使用「堆」来命名。
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堆的常用操作见下表,方法名需根据编程语言确定。
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堆的常用操作见下表,方法名需要根据编程语言来确定。
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<div class="center-table" markdown>
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@@ -33,11 +33,11 @@
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</div>
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我们可以直接使用编程语言提供的堆类(或优先队列类)。
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在实际应用中,我们可以直接使用编程语言提供的堆类(或优先队列类)。
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!!! tip
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类似于排序中“从小到大排列”和“从大到小排列”,“大顶堆”和“小顶堆”可仅通过修改 Comparator 来互相转换。
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类似于排序算法中的“从小到大排列”和“从大到小排列”,我们可以通过修改 Comparator 来实现“小顶堆”与“大顶堆”之间的转换。
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=== "Java"
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@@ -303,19 +303,19 @@
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## 堆的实现
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下文实现的是「大顶堆」,若想转换为「小顶堆」,将所有大小逻辑判断取逆(例如将 $\geq$ 替换为 $\leq$ )即可,有兴趣的同学可自行实现。
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下文实现的是大顶堆。若要将其转换为小顶堆,只需将所有大小逻辑判断取逆(例如,将 $\geq$ 替换为 $\leq$ )。感兴趣的读者可以自行实现。
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### 堆的存储与表示
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在二叉树章节我们学过,「完全二叉树」非常适合使用「数组」来表示,而堆恰好是一棵完全二叉树,**因而我们采用「数组」来存储「堆」**。
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我们在二叉树章节中学习到,完全二叉树非常适合用数组来表示。由于堆正是一种完全二叉树,**我们将采用数组来存储堆**。
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**二叉树指针**。使用数组表示二叉树时,元素代表节点值,索引代表节点在二叉树中的位置,**而节点指针通过索引映射公式来实现**。
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当使用数组表示二叉树时,元素代表节点值,索引代表节点在二叉树中的位置。**节点指针通过索引映射公式来实现**。
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具体地,给定索引 $i$ ,那么其左子节点索引为 $2i + 1$ 、右子节点索引为 $2i + 2$ 、父节点索引为 $(i - 1) / 2$ (向下整除)。当索引越界时,代表空节点或节点不存在。
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具体而言,给定索引 $i$ ,其左子节点索引为 $2i + 1$ ,右子节点索引为 $2i + 2$ ,父节点索引为 $(i - 1) / 2$(向下取整)。当索引越界时,表示空节点或节点不存在。
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我们将索引映射公式封装成函数,以便后续使用。
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我们可以将索引映射公式封装成函数,方便后续使用。
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=== "Java"
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@@ -419,7 +419,7 @@
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### 访问堆顶元素
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堆顶元素是二叉树的根节点,即列表首元素。
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堆顶元素即为二叉树的根节点,也就是列表的首个元素。
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=== "Java"
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@@ -483,9 +483,9 @@
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### 元素入堆
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给定元素 `val` ,我们先将其添加到堆底。添加后,由于 `val` 可能大于堆中其它元素,此时堆的成立条件可能已经被破坏,**因此需要修复从插入节点到根节点这条路径上的各个节点**,该操作被称为「堆化 Heapify」。
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给定元素 `val` ,我们首先将其添加到堆底。添加之后,由于 val 可能大于堆中其他元素,堆的成立条件可能已被破坏。因此,**需要修复从插入节点到根节点的路径上的各个节点**,这个操作被称为「堆化 Heapify」。
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考虑从入堆节点开始,**从底至顶执行堆化**。具体地,比较插入节点与其父节点的值,若插入节点更大则将它们交换;并循环以上操作,从底至顶地修复堆中的各个节点;直至越过根节点时结束,或当遇到无需交换的节点时提前结束。
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考虑从入堆节点开始,**从底至顶执行堆化**。具体来说,我们比较插入节点与其父节点的值,如果插入节点更大,则将它们交换。然后继续执行此操作,从底至顶修复堆中的各个节点,直至越过根节点或遇到无需交换的节点时结束。
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=== "<1>"
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@@ -505,7 +505,7 @@
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=== "<6>"
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设节点总数为 $n$ ,则树的高度为 $O(\log n)$ ,易得堆化操作的循环轮数最多为 $O(\log n)$ ,**因而元素入堆操作的时间复杂度为 $O(\log n)$** 。
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设节点总数为 $n$ ,则树的高度为 $O(\log n)$ 。由此可知,堆化操作的循环轮数最多为 $O(\log n)$ ,**元素入堆操作的时间复杂度为 $O(\log n)$** 。
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=== "Java"
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@@ -589,13 +589,13 @@
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### 堆顶元素出堆
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堆顶元素是二叉树根节点,即列表首元素,如果我们直接将首元素从列表中删除,则二叉树中所有节点都会随之发生移位(索引发生变化),这样后续使用堆化修复就很麻烦了。为了尽量减少元素索引变动,采取以下操作步骤:
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堆顶元素是二叉树的根节点,即列表首元素。如果我们直接从列表中删除首元素,那么二叉树中所有节点的索引都会发生变化,这将使得后续使用堆化修复变得困难。为了尽量减少元素索引的变动,我们采取以下操作步骤:
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1. 交换堆顶元素与堆底元素(即交换根节点与最右叶节点);
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2. 交换完成后,将堆底从列表中删除(注意,因为已经交换,实际上删除的是原来的堆顶元素);
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2. 交换完成后,将堆底从列表中删除(注意,由于已经交换,实际上删除的是原来的堆顶元素);
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3. 从根节点开始,**从顶至底执行堆化**;
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顾名思义,**从顶至底堆化的操作方向与从底至顶堆化相反**,我们比较根节点的值与其两个子节点的值,将最大的子节点与根节点执行交换,并循环以上操作,直到越过叶节点时结束,或当遇到无需交换的节点时提前结束。
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顾名思义,**从顶至底堆化的操作方向与从底至顶堆化相反**,我们将根节点的值与其两个子节点的值进行比较,将最大的子节点与根节点交换;然后循环执行此操作,直到越过叶节点或遇到无需交换的节点时结束。
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=== "<1>"
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@@ -627,7 +627,7 @@
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=== "<10>"
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与元素入堆操作类似,**堆顶元素出堆操作的时间复杂度为 $O(\log n)$** 。
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与元素入堆操作相似,堆顶元素出堆操作的时间复杂度也为 $O(\log n)$。
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=== "Java"
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@@ -711,6 +711,6 @@
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## 堆常见应用
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- **优先队列**。堆常作为实现优先队列的首选数据结构,入队和出队操作时间复杂度为 $O(\log n)$ ,建队操作为 $O(n)$ ,皆非常高效。
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- **堆排序**。给定一组数据,我们使用其建堆,并依次全部弹出,则可以得到有序的序列。当然,堆排序一般无需弹出元素,仅需每轮将堆顶元素交换至数组尾部并减小堆的长度即可。
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- **获取最大的 $k$ 个元素**。这既是一道经典算法题目,也是一种常见应用,例如选取热度前 10 的新闻作为微博热搜,选取前 10 销量的商品等。
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- **优先队列**:堆通常作为实现优先队列的首选数据结构,其入队和出队操作的时间复杂度均为 $O(\log n)$,而建队操作为 $O(n)$,这些操作都非常高效。
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- **堆排序**:给定一组数据,我们可以用它们建立一个堆,然后依次将所有元素弹出,从而得到一个有序序列。当然,堆排序的实现方法并不需要弹出元素,而是每轮将堆顶元素交换至数组尾部并缩小堆的长度。
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- **获取最大的 $k$ 个元素**:这是一个经典的算法问题,同时也是一种典型应用,例如选择热度前 10 的新闻作为微博热搜,选取销量前 10 的商品等。
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@@ -1,8 +1,8 @@
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# 小结
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- 堆是一棵限定条件下的完全二叉树,根据成立条件可分为大顶堆和小顶堆。大(小)顶堆的堆顶元素最大(小)。
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- 优先队列定义为一种具有出队优先级的队列。堆是实现优先队列的最常用数据结构。
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- 堆的常用操作和对应时间复杂度为元素入堆 $O(\log n)$ 、堆顶元素出堆 $O(\log n)$ 、访问堆顶元素 $O(1)$ 等。
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- 完全二叉树非常适合用数组来表示,因此我们一般用数组来存储堆。
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- 堆化操作用于修复堆的特性,在入堆和出堆操作中都会使用到。
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- 输入 $n$ 个元素并建堆的时间复杂度可以被优化至 $O(n)$ ,非常高效。
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- 堆是一棵完全二叉树,根据成立条件可分为大顶堆和小顶堆。大(小)顶堆的堆顶元素是最大(小)的。
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- 优先队列的定义是具有出队优先级的队列,通常使用堆来实现。
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- 堆的常用操作及其对应的时间复杂度包括:元素入堆 $O(\log n)$ 、堆顶元素出堆 $O(\log n)$ 和访问堆顶元素 $O(1)$ 等。
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- 完全二叉树非常适合用数组表示,因此我们通常使用数组来存储堆。
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- 堆化操作用于维护堆的性质,在入堆和出堆操作中都会用到。
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- 输入 $n$ 个元素并建堆的时间复杂度可以优化至 $O(n)$,非常高效。
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