问题:
从一组数中选出其中最大的K个数,当这组数的个数为几百、几百万、几百亿时分别适合采用哪些算法?
个数为几百时,使用顺序统计法(看算法导论第9章):
算法思想是对输入数组进行递归划分,一边的数据小于选定数,另一边的数据大于等于选定数。但和快速排序不同的是,快速排序会递归处理划分的两边,而顺序统计法只处理划分的一边。其随机化算法的期望时间为O(n)。除了无法处理大规模的数据外,它还有一个缺点,就是会改变输入数据的顺序,也就是说算法不是稳定的。
#include <iostream> #include <cstdlib> using namespace std; #define MAXN 103 int A[MAXN]; void select(int u, int v, int k) { int s = rand()%(v-u+1)+u; int a = A[s]; A[s] = A[u]; A[u] = a; int i, j=u; for (i=u; i<=v; i++) if (A[i] > a) { int tmp = A[++j]; A[j] = A[i]; A[i] = tmp; } A[u] = A[j]; A[j] = a; if (j == k) return; else if (j < k) select(j+1, v, k); else select(u, j-1, k); } int main() { int n, k, i, j; cin >> n >> k; for (i=0; i<n; i++) cin >> A[i]; select(0, n-1, k-1); for (i=0; i<k; i++) cout << A[i] << " "; cout << endl; }
个数为几百万时,数据量较大不适合全装入内存中,能容忍多次访问,可使用二分中值法(用法有点奇怪,个人不太喜欢):
本质上是通过二分思想找出第K大的数的值。算法从[Min, Max]开始逐渐缩小第K大的数取值的范围,时间复杂度为O(N*log(Max-Min))。
#include <iostream> #include <cstdlib> using namespace std; int binary(FILE *in, int v) { rewind(in); int a, sum = 0; while (fscanf(in, "%d", &a)!=EOF) { if (a >= v) sum++; } return sum; } void finded(FILE *in, int v) { rewind(in); int a; while (fscanf(in, "%d", &a)!=EOF) { if (a >= v) cout << a << " "; } cout << endl; } int main() { int n, k; cin >> n >> k; FILE* in = fopen("dat.txt","r"); int min, max; int a; fscanf(in, "%d", &a); min = max = a; while (fscanf(in, "%d", &a)!=EOF) { if (a < min) min = a; if (a > max) max = a; } while (max > min) { int mid = (min+max)/2; int ns = binary(in, mid); if (ns == k) { finded(in, (min+max)/2); break; } else if (ns < k) max = mid; else min = mid; } }
个数为几万亿时,数据量较大不适合全装入内存中,且无法容忍多次访问,所有数据只能访问一次,推荐使用最小堆法(上面那种情况也推荐使用这个方法),但要求K较小,否则无法在内存中存下整个最小堆。
用容量为K的最小堆来存储最大的K个数,最小堆的堆顶元素就是最大K个数中最小的一个。每次考虑一个新的元素时,将其与堆顶的元素进行比较,只有当它大于堆顶元素时,才用其替换堆顶元素,并更新最小堆。时间复杂度为O(N*logK)。
#include <iostream> using namespace std; #define MAXN 103 int H[MAXN]; void upshift(int s) { int tmp = H[s]; while (s>1 && H[s>>1] > tmp) { H[s] = H[s>>1]; s >>= 1; } H[s] = tmp; } void downshift(int n) { int tmp = H[1]; int i=1, j=i<<1; while (j <= n) { if (j+1 <= n && H[j+1] < H[j]) j++; if (H[j] < tmp) H[i] = H[j]; else break; i = j; j = j<<1; } H[i] = tmp; } int main() { int n, k, i, A; cin >> n >> k; for (i=1; i<=k; i++) { cin >> H[i]; upshift(i); } for (; i<=n; i++) { cin >> A; if (A > H[1]) { H[1] = A; downshift(k); } } for (i=1; i<=k; i++) cout << H[i] << " "; cout << endl; }