This commit is contained in:
krahets
2026-04-03 18:46:15 +08:00
parent 377736b1bd
commit 9d21ca86b0
352 changed files with 46563 additions and 11262 deletions
+7 -7
View File
@@ -4,13 +4,13 @@ comments: true
# 8.2   Построение кучи
В некоторых случаях мы хотим построить кучу, используя сразу все элементы списка. Этот процесс называется "построением кучи".
В некоторых случаях требуется построить кучу, используя сразу все элементы списка. Этот процесс называется построением кучи.
## 8.2.1   Реализация через операцию добавления в кучу
Сначала мы создаем пустую кучу, затем обходим список и для каждого элемента по очереди выполняем "операцию добавления в кучу": сначала помещаем элемент в хвост кучи, а затем выполняем для него упорядочивание "снизу вверх".
Сначала мы создаем пустую кучу, затем обходим список и для каждого элемента по очереди выполняем операцию добавления в кучу: сначала помещаем элемент в хвост кучи, а затем выполняем для него упорядочивание снизу вверх.
Каждый раз, когда элемент добавляется в кучу, ее длина увеличивается на единицу. Поскольку узлы последовательно добавляются в двоичное дерево сверху вниз, куча строится "сверху вниз".
Каждый раз, когда элемент добавляется в кучу, ее длина увеличивается на единицу. Поскольку узлы последовательно добавляются в двоичное дерево сверху вниз, куча строится сверху вниз.
Пусть число элементов равно $n$ ; так как каждая операция добавления требует $O(\log{n})$ времени, временная сложность такого построения кучи составляет $O(n \log n)$ .
@@ -19,9 +19,9 @@ comments: true
На самом деле можно реализовать и более эффективный способ построения кучи, который состоит из двух шагов.
1. Без изменений добавить все элементы списка в кучу; в этот момент свойства кучи еще не выполняются.
2. Обойти кучу в обратном порядке, то есть в порядке, обратном обходу по уровням, и по очереди выполнить упорядочивание "сверху вниз" для каждого нелистового узла.
2. Обойти кучу в обратном порядке, то есть в порядке, обратном обходу по уровням, и по очереди выполнить упорядочивание сверху вниз для каждого нелистового узла.
**После того как некоторый узел был упорядочен, поддерево с этим узлом в качестве корня становится корректной подкучей**. А поскольку обход выполняется в обратном порядке, куча строится "снизу вверх".
**После того как некоторый узел был упорядочен, поддерево с этим узлом в качестве корня становится корректной подкучей**. А поскольку обход выполняется в обратном порядке, куча строится снизу вверх.
Причина выбора обратного обхода в том, что он гарантирует: поддеревья ниже текущего узла уже являются корректными подкучами, а значит, упорядочивание текущего узла действительно будет эффективным.
@@ -342,7 +342,7 @@ comments: true
<p align="center"> Рисунок 8-5 &nbsp; Число узлов на каждом уровне идеального двоичного дерева </p>
Как показано на рисунке 8-5, максимальное число итераций упорядочивания "сверху вниз" для некоторого узла равно расстоянию от этого узла до листового узла, а это расстояние как раз и есть "высота узла". Поэтому мы можем просуммировать для каждого уровня выражение "число узлов $\times$ высота узла" и **получить суммарное число итераций упорядочивания для всех узлов**.
Как показано на рисунке 8-5, максимальное число итераций упорядочивания сверху вниз для некоторого узла равно расстоянию от этого узла до листового узла, а это расстояние как раз и есть высота узла. Поэтому мы можем просуммировать для каждого уровня выражение "число узлов $\times$ высота узла" и **получить суммарное число итераций упорядочивания для всех узлов**.
$$
T(h) = 2^0h + 2^1(h-1) + 2^2(h-2) + \dots + 2^{(h-1)}\times1
@@ -373,4 +373,4 @@ T(h) & = 2 \frac{1 - 2^h}{1 - 2} - h \newline
\end{aligned}
$$
Далее, число узлов идеального двоичного дерева высоты $h$ равно $n = 2^{h+1} - 1$ , поэтому несложно получить сложность $O(2^h) = O(n)$ . Из этого вывода следует, что **построение кучи из входного списка имеет временную сложность $O(n)$ , что очень эффективно**.
Далее, число узлов идеального двоичного дерева высоты $h$ равно $n = 2^{h+1} - 1$ , поэтому несложно получить сложность $O(2^h) = O(n)$ . Из этого вывода следует, что **построение кучи из входного списка имеет временную сложность $O(n)$ , то есть выполняется очень эффективно**.
+8 -8
View File
@@ -16,14 +16,14 @@ comments: true
Куча, являясь частным случаем полного двоичного дерева, обладает следующими свойствами.
- Узлы самого нижнего уровня заполняются слева, а все остальные уровни заполнены полностью.
- Корневой узел двоичного дерева мы называем "вершиной кучи", а самый правый узел нижнего уровня - "основанием кучи".
- Корневой узел двоичного дерева мы называем вершиной кучи, а самый правый узел нижнего уровня - основанием кучи.
- Для максимальной (минимальной) кучи значение элемента на вершине, то есть у корневого узла, является максимальным (минимальным).
## 8.1.1 &nbsp; Распространенные операции с кучей
Нужно отметить, что многие языки программирования предоставляют не саму кучу, а <u>очередь с приоритетом (priority queue)</u> - абстрактную структуру данных, определяемую как очередь, в которой элементы извлекаются в соответствии с приоритетом.
На практике **куча обычно используется для реализации очереди с приоритетом, а максимальная куча эквивалентна очереди с приоритетом, в которой элементы извлекаются по убыванию**. С точки зрения использования "очередь с приоритетом" и "куча" можно считать эквивалентными структурами данных. Поэтому в этой книге мы не будем специально различать их и в дальнейшем будем единообразно называть "кучей".
На практике **куча обычно используется для реализации очереди с приоритетом, а максимальная куча эквивалентна очереди с приоритетом, в которой элементы извлекаются по убыванию**. С точки зрения использования очередь с приоритетом и куча могут считаться эквивалентными структурами данных. Поэтому в этой книге мы не будем специально различать их и в дальнейшем будем единообразно называть кучей.
Распространенные операции с кучей приведены в таблице 8-1. Конкретные имена методов зависят от языка программирования.
@@ -812,7 +812,7 @@ comments: true
### 3. &nbsp; Добавление элемента в кучу
Пусть дан элемент `val` . Сначала мы помещаем его в основание кучи. После добавления свойства кучи могут нарушиться, потому что `val` может оказаться больше, чем другие элементы в куче. **Поэтому необходимо восстановить порядок на пути от вставленного узла к корню** ; эта операция называется <u>heapify</u>, то есть упорядочиванием кучи.
Пусть дан элемент `val` . Сначала мы помещаем его в основание кучи. После добавления свойства кучи могут нарушиться, потому что `val` может оказаться больше, чем другие элементы в куче. **Поэтому необходимо восстановить порядок на пути от вставленного узла к корню** ; эта операция называется упорядочиванием кучи.
Рассмотрим ситуацию, когда упорядочивание выполняется **снизу вверх**, начиная от только что вставленного узла. Как показано на рисунках ниже, мы сравниваем значение вставленного узла со значением его родителя; если вставленный узел больше, то меняем их местами. Затем продолжаем выполнять ту же операцию и последовательно восстанавливать корректность всех узлов по пути снизу вверх, пока не выйдем за корень или не встретим узел, для которого обмен не требуется.
@@ -845,7 +845,7 @@ comments: true
<p align="center"> Рисунок 8-3 &nbsp; Шаги добавления элемента в кучу </p>
Пусть общее число узлов равно $n$ , тогда высота дерева равна $O(\log n)$ . Следовательно, максимальное число итераций операции heapify тоже не превышает $O(\log n)$ . Отсюда **временная сложность добавления элемента в кучу равна $O(\log n)$** . Код приведен ниже:
Пусть общее число узлов равно $n$ , тогда высота дерева равна $O(\log n)$ . Следовательно, максимальное число итераций операции упорядочивания кучи тоже не превышает $O(\log n)$ . Отсюда **временная сложность добавления элемента в кучу равна $O(\log n)$** . Код приведен ниже:
=== "Python"
@@ -1217,13 +1217,13 @@ comments: true
### 4. &nbsp; Извлечение элемента с вершины кучи
Элемент на вершине кучи - это корневой узел двоичного дерева, то есть первый элемент списка. Если просто удалить первый элемент списка, то индексы всех узлов двоичного дерева изменятся, и это сильно затруднит последующее восстановление структуры при помощи heapify. Чтобы по возможности минимизировать изменение индексов элементов, мы используем следующий порядок действий.
Элемент на вершине кучи - это корневой узел двоичного дерева, то есть первый элемент списка. Если просто удалить первый элемент списка, то индексы всех узлов двоичного дерева изменятся, и это сильно затруднит последующее восстановление структуры при помощи упорядочивания кучи. Чтобы по возможности минимизировать изменение индексов элементов, мы используем следующий порядок действий.
1. Поменять местами элемент на вершине кучи и элемент у основания кучи, то есть поменять корневой узел с самым правым листовым узлом.
2. После обмена удалить основание кучи из списка. Обрати внимание: поскольку обмен уже выполнен, фактически удаляется исходный элемент вершины кучи.
3. Начиная от корневого узла, **выполнить heapify сверху вниз**.
2. После обмена удалить основание кучи из списка. Стоит отметить, что, поскольку обмен уже выполнен, фактически удаляется исходный элемент вершины кучи.
3. Начиная от корневого узла, **выполнить упорядочивание кучи сверху вниз**.
Как показано на рисунках ниже, **направление операции "heapify сверху вниз" противоположно операции "heapify снизу вверх"**. Мы сравниваем значение корневого узла со значениями двух дочерних узлов, выбираем больший дочерний узел и меняем его местами с корневым узлом. Затем циклически повторяем ту же операцию, пока не выйдем за листовой узел или не встретим узел, который уже не требует обмена.
Как показано на рисунках ниже, **направление операции упорядочивания кучи сверху вниз противоположно операции упорядочивания кучи снизу вверх**. Мы сравниваем значение корневого узла со значениями двух дочерних узлов, выбираем больший дочерний узел и меняем его местами с корневым узлом. Затем циклически повторяем ту же операцию, пока не выйдем за листовой узел или не встретим узел, который уже не требует обмена.
=== "<1>"
![Шаги извлечения элемента с вершины кучи](heap.assets/heap_pop_step1.png){ class="animation-figure" }
+3 -3
View File
@@ -9,13 +9,13 @@ icon: material/family-tree
!!! abstract
Куча похожа на горные вершины: ярусные, волнистые и самые разные по форме.
Куча - это полное двоичное дерево, удовлетворяющее определенным условиям.
Каждая вершина имеет свою высоту, но самая высокая всегда бросается в глаза первой.
В максимальной и минимальной куче элемент на вершине всегда обладает самым выраженным приоритетом.
## Содержание главы
- [8.1 &nbsp; Куча](heap.md)
- [8.2 &nbsp; Построение кучи](build_heap.md)
- [8.3 &nbsp; Задача Top-K](top_k.md)
- [8.3 &nbsp; Задача Top-k](top_k.md)
- [8.4 &nbsp; Резюме](summary.md)
+3 -3
View File
@@ -2,9 +2,9 @@
comments: true
---
# 8.4 &nbsp; Краткие итоги
# 8.4 &nbsp; Резюме
### 1. &nbsp; Основные моменты
### 1. &nbsp; Ключевые выводы
- Куча представляет собой полное двоичное дерево и делится на максимальную кучу и минимальную кучу. Элемент на вершине максимальной (минимальной) кучи является наибольшим (наименьшим).
- Очередь с приоритетом определяется как очередь, элементы которой извлекаются в соответствии с приоритетом; обычно ее реализуют с помощью кучи.
@@ -18,4 +18,4 @@ comments: true
**Q**: Является ли "куча" как структура данных тем же самым понятием, что и "куча" в управлении памятью?
Это не одно и то же, просто у них случайно совпало название. Куча в памяти компьютерной системы является частью динамического распределения памяти: во время выполнения программы она используется для хранения данных. Программа может запросить определенный объем памяти в куче для хранения сложных структур, таких как объекты и массивы. Когда эти данные больше не нужны, память нужно освободить, чтобы не допустить утечек. По сравнению со стековой памятью управление памятью в куче требует большей осторожности, а неправильное использование может привести к утечкам памяти, висячим указателям и другим проблемам.
Это не одно и то же, просто у них случайно совпало название. Куча в памяти компьютерной системы является частью динамического распределения памяти: во время выполнения программы она используется для хранения данных. Программа может запросить определенный объем памяти в куче для хранения сложных структур, таких как объекты и массивы. Когда эти данные больше не нужны, память нужно освободить, чтобы не допустить утечек. По сравнению со стековой памятью управление памятью в куче требует большей осторожности, а неправильное использование может привести к утечкам памяти и проблемам с указателями.
+1 -1
View File
@@ -28,7 +28,7 @@ comments: true
Как показано на рисунке 8-7, можно сначала отсортировать массив `nums` , а затем вернуть его крайние правые $k$ элементов; временная сложность такого метода равна $O(n \log n)$ .
Очевидно, что этот способ "делает слишком много", потому что нам нужно только найти наибольшие $k$ элементов, а сортировать остальные элементы совсем не обязательно.
Очевидно, что этот способ делает слишком много, потому что нам нужно только найти наибольшие $k$ элементов, а сортировать остальные элементы совсем не обязательно.
![Поиск наибольших k элементов через сортировку](top_k.assets/top_k_sorting.png){ class="animation-figure" }