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2023-04-09 02:53:32 +08:00
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commit fc4021ea99
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+12 -12
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@@ -1780,13 +1780,13 @@
<h1 id="82">8.2. &nbsp; 建堆操作 *<a class="headerlink" href="#82" title="Permanent link">&para;</a></h1>
<p>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」。</p>
<p>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」。</p>
<h2 id="821">8.2.1. &nbsp; 两种建堆方法<a class="headerlink" href="#821" title="Permanent link">&para;</a></h2>
<h3 id="_1">借助入堆方法实现<a class="headerlink" href="#_1" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>最直接地,考虑借助元素入堆」方法,先建立一个空堆,<strong>再将列表元素依次入堆即可</strong></p>
<p>设元素数量为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,则最后一个元素入堆的时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(\log n)\)</span> 在依次入堆时,堆的平均长度为 <span class="arithmatex">\(\frac{n}{2}\)</span> ,因此该方法的总体时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n \log n)\)</span></p>
<p>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</p>
<p>设元素数量为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,则最后一个元素入堆的时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(\log n)\)</span> 在依次添加元素时,堆的平均长度为 <span class="arithmatex">\(\frac{n}{2}\)</span> ,因此该方法的总体时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n \log n)\)</span></p>
<h3 id="_2">基于堆化操作实现<a class="headerlink" href="#_2" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>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 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 。我们先将列表所有元素原封不动添加进堆<strong>然后迭代地对各个结点执行从顶至底堆化</strong>。当然,<strong>无需对叶结点执行堆化</strong>,因为没有子结点。</p>
<p>有趣的是,存在一种更高效的建堆方法,时间复杂度仅为 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 。我们先将列表所有元素原封不动添加到堆中<strong>然后迭代地对各个结点执行从顶至底堆化</strong>。当然,<strong>我们不需要对叶结点执行堆化操作</strong>,因为它们没有子结点。</p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="1:10"><input checked="checked" id="__tabbed_1_1" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_2" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_3" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_4" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_5" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_6" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_7" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_8" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_9" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_10" name="__tabbed_1" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_1_1">Java</label><label for="__tabbed_1_2">C++</label><label for="__tabbed_1_3">Python</label><label for="__tabbed_1_4">Go</label><label for="__tabbed_1_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_1_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_1_7">C</label><label for="__tabbed_1_8">C#</label><label for="__tabbed_1_9">Swift</label><label for="__tabbed_1_10">Zig</label></div>
<div class="tabbed-content">
<div class="tabbed-block">
@@ -1909,21 +1909,21 @@
</div>
</div>
<h2 id="822">8.2.2. &nbsp; 复杂度分析<a class="headerlink" href="#822" title="Permanent link">&para;</a></h2>
<p>第二种建堆方法的时间复杂度为什么<span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> ?我们来展开推算一下。</p>
<p>为什么第二种建堆方法的时间复杂度是 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> ?我们来展开推算一下。</p>
<ul>
<li>完全二叉树中,设结点总数为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,则叶结点数量为 <span class="arithmatex">\((n + 1) / 2\)</span> ,其中 <span class="arithmatex">\(/\)</span> 为向下整除。因此在排除叶结点后,需要堆化结点数量为 <span class="arithmatex">\((n - 1)/2\)</span> <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> </li>
<li>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 <span class="arithmatex">\(O(\log n)\)</span> </li>
<li>完全二叉树中,设结点总数为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,则叶结点数量为 <span class="arithmatex">\((n + 1) / 2\)</span> ,其中 <span class="arithmatex">\(/\)</span> 为向下整除。因此在排除叶结点后,需要堆化结点数量为 <span class="arithmatex">\((n - 1)/2\)</span> 复杂度<span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> </li>
<li>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 <span class="arithmatex">\(O(\log n)\)</span> </li>
</ul>
<p>将上述两者相乘,可得时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n \log n)\)</span> 。这个估算结果不准确,因为我们没有考虑到 <strong>二叉树底层结点远多于顶层结点</strong> 的性质</p>
<p>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 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,树高度为 <span class="arithmatex">\(h\)</span> 。上文提到,<strong>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”</strong></p>
<p>将上述两者相乘,可得到建堆过程的时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n \log n)\)</span><strong>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</strong></p>
<p>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 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,树高度为 <span class="arithmatex">\(h\)</span> 。上文提到,<strong>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”</strong></p>
<p><img alt="完美二叉树的各层结点数量" src="../build_heap.assets/heapify_operations_count.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 完美二叉树的各层结点数量 </p>
<p>因此,我们将各层的“结点数量 <span class="arithmatex">\(\times\)</span> 结点高度”求和,即可得到 <strong>所有结点的堆化迭代次数总和</strong></p>
<p>因此,我们可以将各层的“结点数量 <span class="arithmatex">\(\times\)</span> 结点高度”求和,<strong>从而得到所有结点的堆化迭代次数总和</strong></p>
<div class="arithmatex">\[
T(h) = 2^0h + 2^1(h-1) + 2^2(h-2) + \cdots + 2^{(h-1)}\times1
\]</div>
<p>化简上式需要借助中学的数列知识,先对 <span class="arithmatex">\(T(h)\)</span> 乘以 <span class="arithmatex">\(2\)</span> </p>
<p>化简上式需要借助中学的数列知识,先对 <span class="arithmatex">\(T(h)\)</span> 乘以 <span class="arithmatex">\(2\)</span> ,得</p>
<div class="arithmatex">\[
\begin{aligned}
T(h) &amp; = 2^0h + 2^1(h-1) + 2^2(h-2) + \cdots + 2^{h-1}\times1 \newline
@@ -1934,7 +1934,7 @@ T(h) &amp; = 2^0h + 2^1(h-1) + 2^2(h-2) + \cdots + 2^{h-1}\times1 \newline
<div class="arithmatex">\[
2T(h) - T(h) = T(h) = -2^0h + 2^1 + 2^2 + \cdots + 2^{h-1} + 2^h
\]</div>
<p>观察上式,<span class="arithmatex">\(T(h)\)</span> 是一个等比数列,可直接使用求和公式,得到时间复杂度为</p>
<p>观察上式,发现 <span class="arithmatex">\(T(h)\)</span> 是一个等比数列,可直接使用求和公式,得到时间复杂度为</p>
<div class="arithmatex">\[
\begin{aligned}
T(h) &amp; = 2 \frac{1 - 2^h}{1 - 2} - h \newline