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synced 2026-08-14 04:30:58 +00:00
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This commit is contained in:
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# 8.2. 建堆操作
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# 8.2 建堆操作
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如果我们想要根据输入列表生成一个堆,这个过程被称为「建堆」。
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## 8.2.1. 借助入堆方法实现
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## 8.2.1 借助入堆方法实现
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最直接的方法是借助“元素入堆操作”实现,首先创建一个空堆,然后将列表元素依次添加到堆中。
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设元素数量为 $n$ ,则最后一个元素入堆的时间复杂度为 $O(\log n)$ 。在依次添加元素时,堆的平均长度为 $\frac{n}{2}$ ,因此该方法的总体时间复杂度为 $O(n \log n)$ 。
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## 8.2.2. 基于堆化操作实现
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## 8.2.2 基于堆化操作实现
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有趣的是,存在一种更高效的建堆方法,其时间复杂度仅为 $O(n)$ 。我们先将列表所有元素原封不动添加到堆中,**然后迭代地对各个节点执行“从顶至底堆化”**。当然,**我们不需要对叶节点执行堆化操作**,因为它们没有子节点。
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## 8.2.3. 复杂度分析
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## 8.2.3 复杂度分析
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为什么第二种建堆方法的时间复杂度是 $O(n)$ ?我们来展开推算一下。
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# 8.1. 堆
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# 8.1 堆
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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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- 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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## 8.1.1. 堆常用操作
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## 8.1.1 堆常用操作
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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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## 8.1.2. 堆的实现
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## 8.1.2 堆的实现
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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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## 8.1.3. 堆常见应用
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## 8.1.3 堆常见应用
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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,然后不断地执行元素出堆操作,从而得到有序数据。然而,我们通常会使用一种更优雅的方式实现堆排序,详见后续的堆排序章节。
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icon: material/family-tree
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# 8. 堆
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# 第 8 章 堆
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<div class="center-table" markdown>
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# 8.4. 小结
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# 8.4 小结
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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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- 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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- Top-K 是一个经典算法问题,可以使用堆数据结构高效解决,时间复杂度为 $O(n \log k)$ 。
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## 8.4.1. Q & A
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## 8.4.1 Q & A
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!!! question "数据结构的“堆”与内存管理的“堆”是同一个概念吗?"
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# 8.3. Top-K 问题
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# 8.3 Top-K 问题
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!!! question
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对于该问题,我们先介绍两种思路比较直接的解法,再介绍效率更高的堆解法。
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## 8.3.1. 方法一:遍历选择
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## 8.3.1 方法一:遍历选择
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我们可以进行 $k$ 轮遍历,分别在每轮中提取第 $1$ , $2$ , $\cdots$ , $k$ 大的元素,时间复杂度为 $O(nk)$ 。
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当 $k = n$ 时,我们可以得到从大到小的序列,等价于「选择排序」算法。
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## 8.3.2. 方法二:排序
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## 8.3.2 方法二:排序
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我们可以对数组 `nums` 进行排序,并返回最右边的 $k$ 个元素,时间复杂度为 $O(n \log n)$ 。
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<p align="center"> 图:排序寻找最大的 k 个元素 </p>
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## 8.3.3. 方法三:堆
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## 8.3.3 方法三:堆
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我们可以基于堆更加高效地解决 Top-K 问题,流程如下:
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