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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来生成一个堆,这样的操作被称为「建堆」。
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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. 两种建堆方法
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### 借助入堆方法实现
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最直接地,考虑借助「元素入堆」方法,先建立一个空堆,**再将列表元素依次入堆即可**。
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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 $O(\log n)$ ,在依次入堆时,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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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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### 基于堆化操作实现
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有趣的是,存在一种更加高效的建堆方法,时间复杂度可以达到 $O(n)$ 。我们先将列表所有元素原封不动添加进堆,**然后迭代地对各个结点执行「从顶至底堆化」**。当然,**无需对叶结点执行堆化**,因为其没有子结点。
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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,**然后迭代地对各个结点执行“从顶至底堆化”**。当然,**我们不需要对叶结点执行堆化操作**,因为它们没有子结点。
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=== "Java"
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## 8.2.2. 复杂度分析
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第二种建堆方法的时间复杂度为什么是 $O(n)$ 呢?我们来展开推算一下。
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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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- 完全二叉树中,设结点总数为 $n$ ,则叶结点数量为 $(n + 1) / 2$ ,其中 $/$ 为向下整除。因此在排除叶结点后,需要堆化结点数量为 $(n - 1)/2$ ,即为 $O(n)$ ;
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- 从顶至底堆化中,每个结点最多堆化至叶结点,因此最大迭代次数为二叉树高度 $O(\log n)$ ;
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- 完全二叉树中,设结点总数为 $n$ ,则叶结点数量为 $(n + 1) / 2$ ,其中 $/$ 为向下整除。因此,在排除叶结点后,需要堆化的结点数量为 $(n - 1)/2$ ,复杂度为 $O(n)$ ;
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- 在从顶至底堆化的过程中,每个结点最多堆化到叶结点,因此最大迭代次数为二叉树高度 $O(\log n)$ ;
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将上述两者相乘,可得时间复杂度为 $O(n \log n)$ 。这个估算结果不够准确,因为我们没有考虑到 **二叉树底层结点远多于顶层结点** 的性质。
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将上述两者相乘,可得到建堆过程的时间复杂度为 $O(n \log n)$。**然而,这个估算结果并不准确,因为我们没有考虑到二叉树底层结点数量远多于顶层结点的特性**。
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下面我们来展开计算。为了减小计算难度,我们假设树是一个「完美二叉树」,该假设不会影响计算结果的正确性。设二叉树(即堆)结点数量为 $n$ ,树高度为 $h$ 。上文提到,**结点堆化最大迭代次数等于该结点到叶结点的距离,而这正是“结点高度”**。
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接下来我们来进行更为详细的计算。为了减小计算难度,我们假设树是一个“完美二叉树”,该假设不会影响计算结果的正确性。设二叉树(即堆)结点数量为 $n$ ,树高度为 $h$ 。上文提到,**结点堆化最大迭代次数等于该结点到叶结点的距离,而该距离正是“结点高度”**。
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<p align="center"> Fig. 完美二叉树的各层结点数量 </p>
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因此,我们将各层的“结点数量 $\times$ 结点高度”求和,即可得到 **所有结点的堆化的迭代次数总和**。
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因此,我们可以将各层的“结点数量 $\times$ 结点高度”求和,**从而得到所有结点的堆化迭代次数的总和**。
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T(h) = 2^0h + 2^1(h-1) + 2^2(h-2) + \cdots + 2^{(h-1)}\times1
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化简上式需要借助中学的数列知识,先对 $T(h)$ 乘以 $2$ ,易得
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化简上式需要借助中学的数列知识,先对 $T(h)$ 乘以 $2$ ,得到
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\begin{aligned}
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@@ -191,7 +191,7 @@ $$
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2T(h) - T(h) = T(h) = -2^0h + 2^1 + 2^2 + \cdots + 2^{h-1} + 2^h
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观察上式,$T(h)$ 是一个等比数列,可直接使用求和公式,得到时间复杂度为
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观察上式,发现 $T(h)$ 是一个等比数列,可直接使用求和公式,得到时间复杂度为
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\begin{aligned}
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