一、问题描述
给定一个数组,数组中的数据无序,在一个数组中找出其第k个最小的数,例如对于数组x,x = {3,2,1,4,5,6},则其第2个最小的数为2。
二、解题思路
本算法跟快排的思想相似,首先在数组中选取一个数centre作为枢纽,将比centre小的数,放到centre的前面将比centre大的数,放到centre的后面。如果此时centre的位置刚好为k,则centre为第k个最小的数;如果此时centre的位置比k前,则第k个最小数一定在centre后面,递归地在其右边寻找;如果此时centre的位置比k后,则第k个最小数一定在centre后面,递归地在其左边寻找。
注意:centre的位置=其下标值+1,因为数组中的第一个元素的下标为0。
从上面的描述中,我们可以看到这个算法运用了减治的方法求解。减治的思想与分治非常相似,同样是在一次操作中,削减问题的规模,只是分治把每个子问题求解后,要合并每个子问题的解才能得到问题,而减治的方法,却不用合并子问题的解,子问题的解,直接就是原问题的解。举个例子来说,就像快排和二分查找算法,前者是分治,后者是减治。因为快排要等到所有的子数组都排完序,原数组才有序,而二分查找却不用,它每执行一次查找,直接丢弃一半的数组,而不用合并子问题的解。不过也有不少书,把他们都归为分治法。
三、代码实现
考虑到代码的通用性,使用了模板函数,如果看不懂模板函数,则只需要忽略template<typename T>,并把T看作是一个类型即可。代码如下:
//返回数组中的第k个最小元素的启动函数,注意会破坏原数组 template<typename T> T FindTheKMin(T *x, int x_size, int k); //实现查找数组中第K个最小元的功能函数 template<typename T> T TheKMin(T *x, int left, int right, int k); template<typename T> T FindTheKMin(T *x, int x_size, int k) { //判断k的值是否过大,即超过数组的大小 //若是则返回第0个元素,主要是为了防止无效的递归 if(x_size < k) return x[0]; return TheKMin(x, 0, x_size-1, k); } template<typename T> T TheKMin(T *x, int left, int right, int k) { //取数组最后一个元素为枢纽 T centre = x[right]; int i = left; int j = right - 1; while(true) { //从前向后扫描,找到第一个小于枢纽的值, //在到达数组末尾前,必定结束循环,因为最后一个值为centre while(x[i] < centre) ++i; //从后向前扫描,此时要检查下标,防止数组越界 while(j >= left && x[j] > centre) --j; //如果没有完成一趟交换,则交换 if(i < j) Swap(x[i], x[j]); else break; } //把枢纽放在正确的位置 Swap(x[i], x[right]); //如果此时centre的位置刚好为k,则centre为第k个最小的数 if(i+1 == k) return x[i]; else if(i+1 < k) { //如果此时centre的位置比k前,递归地在其右边寻找 TheKMin(x, i+1, right, k); } else { //如果此时centre的位置比k后,递归地在其左边寻找 TheKMin(x, left, i-1, k); } }
代码说明:
在上面的代码中,我们要注意,TheKMin函数的最后的if-else,这个算法不同于快排,当枢纽不是要找到元素时,它只会选择其中一个方向的子数组继续寻找,而不像快排那样,会在两个方向的子数组中继续。从上面的代码来看,其运行速度应该在使用相同选取枢纽的策略的快排之上,时间复杂度为O(N)。
同时,当K值不合理时,我们只能返回第0个元素,这点有一点的不合理,但是,我不知道该返回一个什么样的合适的值,因为它是泛型的。
其实,这段代码有两个缺陷,第一个,就是在查找时,破坏了数组原来的数据(交换了位置);第二个是,当类型T的复制和构造开销较大时,直接多次交换两个元素,可能会带来相当大。
另一种实现
下面,再来看看另一种实现,算法的思想和策略相同,但是使用了一个跟踪数组track,用来跟踪使用第一种方法下的数据的交换情况,利用跟踪数组的元素交换代替原数组中元素的交换,解决了上面提到的两个问题。它的实现如下:
//返回数组中的第中个最小元素的下标的启动函数,不破坏原数组 template<typename T> int IndexOfKMin(const T *x, int x_size, int k); //实现查找数组中第K个最小元下标的功能函数 template<typename T> int TheKMin(const T *x, int *track, int left, int right, int k); template<typename T> int IndexOfKMin(const T *x, int x_size, int k) { //判断k的值是否过大,即超过数组的大小 //若是则返回下标-1,主要是为了防止无效的递归 if(x_size < k) return -1; //创建一个跟踪数组,其内容为原数组中元素的下标, //用于记录元素的交换(即代替元素的交换) //按顺序以track数组中的数据为下标访问元素,访问顺序与上一方法相同 int *track = new int[x_size]; for(int i = 0; i < x_size; ++i) //初始化跟踪数组,其值与下标值相对应 track[i] = i; int i = TheKMin(x, track, 0, x_size-1, k); delete []track; return i; } template<typename T> int TheKMin(const T *x, int *track, int left, int right, int k) { //取数组最后一个元素为枢纽 T centre = x[track[right]]; int i = left; int j = right - 1; while(true) { //从前向后扫描,找到第一个小于枢纽的值, //在到达数组末尾前,必定结束循环,因为最后一个值为centre //注意此时的数据的下标不是i,而是track[i] while(x[track[i]] < centre) ++i; //从后向前扫描时要检查下标,防止数组越界 while(j >= left && x[track[j]] > centre) --j; //如果没有完成一趟交换,则交换,注意,是交换跟踪数组的值 if(i < j) Swap(track[i], track[j]); else break; } //把枢纽放在正确的位置 Swap(track[i], track[right]); //如果此时centre的位置刚好为k,则centre为第k个最小的数, //返回其在真实数组中的下标,即track[i] if(i+1 == k) return track[i]; else if(i+1 < k) { //如果此时centre的位置比k前,递归地在其右边寻找 TheKMin(x, track, i+1, right, k); } else { //如果此时centre的位置比k后,递归地在其左边寻找 TheKMin(x, track, left, i-1, k); } }
代码说明:
从上面的代码,我们可以看出,这个函数是返回数组中的第k个最小元的下标,所以当k不合理时,就可以返回-1来表示这个错误,同时,它使用了一个跟踪数组,track数组中的内容,实质是原数组中数据的一个索引,利用跟踪数组的元素的交换来代替了原数组元素的交换,因为该跟踪数组的数据类型是int,所以其交换速度相当快,从而解决了上面提到的两个问题。
从上面的代码,我们也可以看到,其时间复杂度与前面的实现是一样的,也为O(N),但是,这个实现方法却带来了一定的空间开销,它开辟了一个与原数组元素个数相等的一维数组,用于跟踪原数组中的元素的交换情况。
至于在实际中,要使用哪一种算法,取决于使用者的需要!