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2023-04-09 02:53:25 +08:00
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# 8.2.   建堆操作 *
如果我们想要根据输入列表生成一个堆,这样的操作被称为「建堆」。
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」。
## 8.2.1.   两种建堆方法
### 借助入堆方法实现
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**
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
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 $O(n \log n)$ 。
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 $O(n \log n)$ 。
### 基于堆化操作实现
有趣的是,存在一种更高效的建堆方法,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**,因为没有子结点。
有趣的是,存在一种更高效的建堆方法,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。
=== "Java"
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## 8.2.2.   复杂度分析
第二种建堆方法的时间复杂度为什么是 $O(n)$ ?我们来展开推算一下。
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。
- 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 $(n - 1)/2$ 为 $O(n)$
- 从顶至底堆化中,每个结点最多堆化叶结点,因此最大迭代次数为二叉树高度 $O(\log n)$
- 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 $(n - 1)/2$ 复杂度为 $O(n)$
- 从顶至底堆化的过程中,每个结点最多堆化叶结点,因此最大迭代次数为二叉树高度 $O(\log n)$
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
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**
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,而正是“结点高度”**。
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”**。
![完美二叉树的各层结点数量](build_heap.assets/heapify_operations_count.png)
<p align="center"> Fig. 完美二叉树的各层结点数量 </p>
因此,我们将各层的“结点数量 $\times$ 结点高度”求和,即可得到 **所有结点的堆化迭代次数总和**
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总和**。
$$
T(h) = 2^0h + 2^1(h-1) + 2^2(h-2) + \cdots + 2^{(h-1)}\times1
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化简上式需要借助中学的数列知识,先对 $T(h)$ 乘以 $2$
化简上式需要借助中学的数列知识,先对 $T(h)$ 乘以 $2$ ,得
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\begin{aligned}
@@ -191,7 +191,7 @@ $$
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
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
$$
\begin{aligned}