题目:输入n个整数,输出其中最小的k个。
例如输入1,2,3,4,5,6,7和8这8个数字,则最小的4个数字为1,2,3和4。
分析:这道题最简单的思路莫过于把输入的n个整数排序,这样排在最前面的k个数就是最小的k个数。只是这种思路的时间复杂度为O(nlogn)。我们试着寻找更快的解决思路。
我们可以先创建一个大小为k的数据容器来存储最小的k个数字。接下来我们每次从输入的n个整数中读入一个数。如果容器中已有的数字少于k个,则直接把这次读入的整数放入容器之中;如果容器中已有k个数字了,也就是容器已满,此时我们不能再插入新的数字而只能替换已有的数字。我们找出这已有的k个数中最大值,然和拿这次待插入的整数和这个最大值进行比较。如果待插入的值比当前已有的最大值小,则用这个数替换替换当前已有的最大值;如果带插入的值比当前已有的最大值还要大,那么这个数不可能是最小的k个整数之一,因为我们容器内已经有k个数字比它小了,于是我们可以抛弃这个整数。
因此当容器满了之后,我们要做三件事情:一是在k个整数中找到最大数,二是有可能在这个容器中删除最大数,三是可能要插入一个新的数字,并保证k个整数依然是排序的。如果我们用一个二叉树来实现这个数据容器,那么我们能在O(logk)时间内实现这三步操作。因此对于n个输入数字而言,总的时间效率就是O(nlogk)。
我们可以选择用不同的二叉树来实现这个数据容器。由于我们每次都需要找到k个整数中的最大数字,我们很容易想到用最大堆。在最大堆中,根结点的值总是大于它的子树中任意结点的值。于是我们每次可以在O(1)得到已有的k个数字中的最大值,但需要O(logk)时间完成删除以及插入操作。
public class findLeastNumbers { // 大顶堆 public static void main(String[] args) { int[] arr = { 1,2,3,4,5,6,7,8 }; int k = 4; findLeastNumber(arr,k); } public static void Adjustdown(int[] arr, int s, int m) {// 向下调整堆,删除时使用 int temp = arr[s]; int j; for (j = 2 * s + 1; j <= m; j = 2 * j + 1) { if (j < m && arr[j + 1] > arr[j]) ++j; if (temp > arr[j]) break; arr[s] = arr[j]; s = j; } arr[s] = temp; } public static void delete(int[] arr) { // 删除堆中的节点,安定义,堆中每次都只能删除第0个数据 int len = arr.length; int temp = arr[0]; arr[0] = arr[len-1]; arr[len-1] = temp; Adjustdown(arr, 0, len - 2); } public static void Adjustup(int[] arr, int i) { // 向上调整堆,插入节点时使用,每次插入都是将新数据放在数组最后。 // 可以发现从这个新数据的父结点到根结点必然为一个有序的数列, // 因此需自下往上调整堆 // i为数组中最后一个元素的下标 int temp = arr[i]; int j = (i - 1) / 2;// 父节点坐标 while (j >= 0 && i != 0) { if (arr[j] > temp) break; arr[i] = arr[j]; i = j; j = (j - 1) / 2; } arr[i] = temp; } public static void insert(int[] arr, int n, int num) { // 在数组arr中插入节点i arr[n] = num; Adjustup(arr, n); } public static void findLeastNumber(int[] arr, int k) { // 找到arr数组里最小的k个数 if (arr.length == 0) { System.out.println("数组为空!"); return; } int[] heapvector = new int[k];// 堆容器 int i = 0; while (i < k) { insert(heapvector, i, arr[i]); i++; } for(int j=k;j<arr.length;j++){ if(arr[j]<heapvector[0]){ delete(heapvector); insert(heapvector,k-1,arr[j]); } } for(int j = heapvector.length-1;j>0;j--){ int temp = heapvector[j]; heapvector[j] = heapvector[0]; heapvector[0] = temp; Adjustdown(heapvector,0,j-1); } for(int j = 0;j<heapvector.length;j++) System.out.println(heapvector[j]); } }