Update the book based on the revised second edition (#1014)

* Revised the book

* Update the book with the second revised edition

* Revise base on the manuscript of the first edition
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Yudong Jin
2023-12-28 18:06:09 +08:00
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+2 -2
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@@ -46,7 +46,7 @@ $$
T(h) = 2^0h + 2^1(h-1) + 2^2(h-2) + \dots + 2^{(h-1)}\times1
$$
化简上式需要借助中学的数列知识,对 $T(h)$ 乘以 $2$ ,得到:
化简上式需要借助中学的数列知识,对 $T(h)$ 乘以 $2$ ,得到:
$$
\begin{aligned}
@@ -71,4 +71,4 @@ T(h) & = 2 \frac{1 - 2^h}{1 - 2} - h \newline
\end{aligned}
$$
进一步,高度为 $h$ 的完美二叉树的节点数量为 $n = 2^{h+1} - 1$ ,易得复杂度为 $O(2^h) = O(n)$ 。以上推算表明,**输入列表并建堆的时间复杂度为 $O(n)$ ,非常高效**。
进一步,高度为 $h$ 的完美二叉树的节点数量为 $n = 2^{h+1} - 1$ ,易得复杂度为 $O(2^h) = O(n)$ 。以上推算表明,**输入列表并建堆的时间复杂度为 $O(n)$ ,非常高效**。
+14 -14
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@@ -2,8 +2,8 @@
「堆 heap」是一种满足特定条件的完全二叉树,主要可分为两种类型,如下图所示。
- 「大顶堆 max heap」:任意节点的值 $\geq$ 其子节点的值。
- 「小顶堆 min heap」:任意节点的值 $\leq$ 其子节点的值。
- 「大顶堆 max heap」:任意节点的值 $\geq$ 其子节点的值。
![小顶堆与大顶堆](heap.assets/min_heap_and_max_heap.png)
@@ -11,11 +11,11 @@
- 最底层节点靠左填充,其他层的节点都被填满。
- 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”。
- 对于大顶堆(小顶堆),堆顶元素(根节点)的值分别是最大(最小)的。
- 对于大顶堆(小顶堆),堆顶元素(根节点)的值是最大(最小)的。
## 堆常用操作
## 堆常用操作
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。
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。
实际上,**堆通常用于实现优先队列,大顶堆相当于元素按从大到小的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,统一称作“堆”。
@@ -23,13 +23,13 @@
<p align="center"> 表 <id> &nbsp; 堆的操作效率 </p>
| 方法名 | 描述 | 时间复杂度 |
| --------- | -------------------------------------------- | ----------- |
| push() | 元素入堆 | $O(\log n)$ |
| pop() | 堆顶元素出堆 | $O(\log n)$ |
| peek() | 访问堆顶元素(大 / 小顶堆分别为最大 / 小值) | $O(1)$ |
| size() | 获取堆的元素数量 | $O(1)$ |
| isEmpty() | 判断堆是否为空 | $O(1)$ |
| 方法名 | 描述 | 时间复杂度 |
| ----------- | ------------------------------------------------ | ----------- |
| `push()` | 元素入堆 | $O(\log n)$ |
| `pop()` | 堆顶元素出堆 | $O(\log n)$ |
| `peek()` | 访问堆顶元素(对于大 / 小顶堆分别为最大 / 小值) | $O(1)$ |
| `size()` | 获取堆的元素数量 | $O(1)$ |
| `isEmpty()` | 判断堆是否为空 | $O(1)$ |
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)。
@@ -353,7 +353,7 @@
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**。
如下图所示,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 $(i - 1) / 2$(向下整除)。当索引越界时,表示空节点或节点不存在。
如下图所示,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 $(i - 1) / 2$(向下整除)。当索引越界时,表示空节点或节点不存在。
![堆的表示与存储](heap.assets/representation_of_heap.png)
@@ -373,7 +373,7 @@
### 元素入堆
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」。
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」。
考虑从入堆节点开始,**从底至顶执行堆化**。如下图所示,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须交换的节点时结束。
@@ -456,7 +456,7 @@
[file]{my_heap}-[class]{max_heap}-[func]{sift_down}
```
## 堆常见应用
## 堆常见应用
- **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。
- **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“堆排序”章节。
+2 -2
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@@ -8,10 +8,10 @@
- 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。
- 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。
- 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。
- 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 $O(n \log k)$ 。
- 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 $O(n \log k)$ 。
### Q & A
!!! question "数据结构的“堆”与内存管理的“堆”是同一个概念吗?"
两者不是同一个概念,只是碰巧都叫。计算机系统内存中的堆是动态内存分配的一部分,程序在运行时可以使用它来存储数据。程序可以请求一定量的堆内存,用于存储如对象和数组等复杂结构。当这些数据不再需要时,程序需要释放这些内存,以防止内存泄漏。相较于栈内存,堆内存的管理和使用需要更谨慎,使用不当可能会导致内存泄漏和野指针等问题。
两者不是同一个概念,只是碰巧都叫“堆”。计算机系统内存中的堆是动态内存分配的一部分,程序在运行时可以使用它来存储数据。程序可以请求一定量的堆内存,用于存储如对象和数组等复杂结构。当这些数据不再需要时,程序需要释放这些内存,以防止内存泄漏。相较于栈内存,堆内存的管理和使用需要更谨慎,使用不当可能会导致内存泄漏和野指针等问题。
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# Top-K 问题
# Top-k 问题
!!! question
给定一个长度为 $n$ 的无序数组 `nums` ,请返回数组中 $k$ 大的元素。
给定一个长度为 $n$ 的无序数组 `nums` ,请返回数组中最大的 $k$ 元素。
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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## 方法三:堆
我们可以基于堆更加高效地解决 Top-K 问题,流程如下图所示。
我们可以基于堆更加高效地解决 Top-k 问题,流程如下图所示。
1. 初始化一个小顶堆,其堆顶元素最小。
2. 先将数组的前 $k$ 个元素依次入堆。
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总共执行了 $n$ 轮入堆和出堆,堆的最大长度为 $k$ ,因此时间复杂度为 $O(n \log k)$ 。该方法的效率很高,当 $k$ 较小时,时间复杂度趋向 $O(n)$ ;当 $k$ 较大时,时间复杂度不会超过 $O(n \log n)$ 。
另外,该方法适用于动态数据流的使用场景。在不断加入数据时,我们可以持续维护堆内的元素,从而实现最大 $k$ 个元素的动态更新。
另外,该方法适用于动态数据流的使用场景。在不断加入数据时,我们可以持续维护堆内的元素,从而实现最大 $k$ 个元素的动态更新。