【算法基础】基础算法(一)--(快速排序、归并排序、二分)

简介: 【算法基础】基础算法(一)--(快速排序、归并排序、二分)

一、快速排序


1、快速排序算法模板

🔺记忆!

void quick_sort(int q[], int l, int r)
{
    //递归的终止情况
    if (l >= r) return;
 
    //选取分界线。这里选数组中间那个数
    int i = l - 1, j = r + 1, x = q[l + r >> 1];
    //划分成左右两个部分
    while (i < j)
    {
        do i ++ ; while (q[i] < x);
        do j -- ; while (q[j] > x);
        if (i < j) swap(q[i], q[j]);
    }
    //对左右部分排序
    quick_sort(q, l, j), quick_sort(q, j + 1, r);
}

2、边界问题

边界问题只有这两种组合,不能随意搭配,要对称着写。

// 1. x不能取q[l]和q[l+r>>1]; 取q[r]或q[(l+r+1)>>1]
quick_sort(q,l,i-1),quick_sort(q,i,r);
 
// 2. x不能取q[r]和q[(l+r+1)>>1]; 取q[l]或q[l+r>>1]
quick_sort(q,l,j),quick_sort(q,j+1,r);

假设 x = q[l]; quick_sort(q, l, i-1); quick_sort(q, i, r);

取一个样例:q = [1, 2]

那么 l = 0, r = 1;

则 x = q[0] = 1; qucik_sort(q, 0, -1); quick_sort(q, 0, 1);

第一个快排不符合条件,结束。第二个快排进入死循环。

其他边界问题同理,会进入死循环。


3、注意事项

(1)i = l-1, j = r+1;

为什么这里不是 i = l, j = r 呢?

因为后面用的是 do-whlie 循环,先进行循环体里面的内容,再来判断条件。因此 i,j 的初始位置分别位于 l,r 的两侧。

因为两个指针在每次交换完之后都需要向中间移动一位,所以可以每次上来就先移动一次,这样我们就需要把指针的初始值放到外侧。


(2)swap() 函数

如果不直接使用 swap 函数,也可以自己手写一个。

if (i < j)
{
    int k = q[i];
    q[i] = q[j];
    q[j] = k;
}

注意:在交换前,要先进行条件判断,确保 i 和 j 在交汇之前不会越界。


(3)do-while循环的条件

为什么这里 do-while 循环的条件不能写成 q[i] <= x 和 q[j] >= x?

do-whlie 循环中的条件不能带等号,如果加上等号可能会导致下标增加到 r+1,从而导致数组越界。


(4)if 条件

if (i < j) 能否改成 if (i <= j)?

if (i < j) 条件中可以加上等号,因为 i == j 时表示自己与自己交换,因此没有任何影响。


4、练习

785. 快速排序 - AcWing题库

786. 第k个数 - AcWing题库


二、归并排序


1、归并排序算法模板

🔺记忆!

void merge_sort(int q[], int l, int r)
{
    //递归的终止情况
    if (l >= r) return;
    //第一步:分成子问题
    int mid = l + r >> 1;
    //第二步:递归处理子问题
    merge_sort(q, l, mid);
    merge_sort(q, mid + 1, r);
 
    //第三步:合并子问题
    int k = 0, i = l, j = mid + 1;
    while (i <= mid && j <= r)
        if (q[i] <= q[j]) tmp[k ++ ] = q[i ++ ];
        else tmp[k ++ ] = q[j ++ ];
 
    while (i <= mid) tmp[k ++ ] = q[i ++ ];
    while (j <= r) tmp[k ++ ] = q[j ++ ];
    //第四步:复制回原数组
    for (i = l, j = 0; i <= r; i ++, j ++ ) q[i] = tmp[j];
}

2、注意事项

(1)移动

当两个序列当前指针对应的元素相等时,应该移动哪一个?

虽然说移动哪一个指针都可以,但是我们一般会选择移动第一个序列的指针。因为这样可以保持排序的稳定性。即保持序列中相同值在排序之后顺序不变。


(2)划分点的选取

为什么划分点为 mid ,而不是 mid-1?

因为 mid = (l+r) >> 1 是向下取整的,可能会取到 l。假设第一个递归范围是 [l,mid-1], 则第二个递归是 [mid,r],这就造成了当 mid 取到 l 时会无限划分,进入死循环。使用 mid 作为划分点不会造成无限划分,原因是两个范围 [l,mid],[mid+1,r],mid 是向下取整,所以不可能取到 r,因此不会出现 [l,r] 的情况,就不会产生无限划分。如果真的想要使用 mid-1 作为划分点,我们只需要让 mid 向上取整即可。即 mid = (l+r+1) >> 1。但实际上并不建议这样去写,因为判断条件会变成 while (i < mid && j <= r) 或者 while (i <= mid-1 && j <= r),这两种写法都不对称,不利于记忆,所以还是建议划分点选择 mid。


3、练习

787. 归并排序 - AcWing题库

788. 逆序对的数量 - AcWing题库


三、二分

1、整数二分算法模板

lower_bound 来说,它寻找的就是第一个满足条件 值大于等于 x” 的元素的位置;对 upper_bound 函数来说,它寻找的是第一个满足 “ 值大于 x” 的元素的位置。

🔺记忆!

bool check(int x) {/* ... */} // 检查x是否满足某种性质
 
// 区间[l, r]被划分成[l, mid]和[mid + 1, r]时使用:
int bsearch_1(int l, int r)
{
    while (l < r)
    {
        int mid = l + r >> 1;
        if (check(mid)) r = mid; // check()判断mid是否满足性质
        else l = mid + 1;//左加右减
    }
    return l;
}
// 区间[l, r]被划分成[l, mid - 1]和[mid, r]时使用:
int bsearch_2(int l, int r)
{
    while (l < r)
    {
        int mid = l + r + 1 >> 1;//如果下方else后面是l则这里加1
        if (check(mid)) l = mid;
        else r = mid - 1;//左加右减
    }
    return l;
}
  • 当我们将区间 [l,r] 划分成 [l,mid] 和 [mid+1,r] 时,其更新操作是 r = mid 或者 l = mid + 1;,计算 mid 时不需要加 1。
  • 当我们将区间 [l,r] 划分成 [l,mid-1] 和 [mid,r] 时,其更新操作是 r = mid - 1 或者 l = mid;,此时为了防止死循环,计算 mid 时需要加 1。

【注意事项】

(1)模板选取
该如何确定用哪个模板呢?

取决于 check 的逻辑,如果我们发现需要更新区间为 [l,mid] 或 [mid + 1,r],就用第一个模板。如果我们发现我们需要更新区间为 [l,mid - 1] 或 [mid,r],就用第二个模板。

(2)mid 的选取

当左边界l 和 r 相距一个元素时,就是如果 l = r-1;也就是说 l 和 r 之间只相差 1 时,如果模板 2 中 mid = l + r >> 1; 那么通过向下取整,也就是 mid = (l + l + 1) >> 1; 可以得到 mid = l。假设 check 为 true,那么 l = mid = l; 判断结束后,l 和 r 都没作改变,就会陷入死循环。所以这里使用模板 2 必须得 + 1。


2、浮点数二分算法模板

🔺记忆!

bool check(double x) {/* ... */} // 检查x是否满足某种性质
 
double bsearch_3(double l, double r)
{
    const double eps = 1e-6; // eps 表示精度,取决于题目对精度的要求
    while (r - l > eps)
    {
        double mid = (l + r) / 2;
        if (check(mid)) r = mid;
        else l = mid;
    }
    return l;
}

【注意事项】

(1)精度
除了精度以外,还有其他表示方法吗?

可以写一个 for 循环,迭代 100 次,效果一样。

for (int i=0; i<100; i++)
{
    double mid = (l + r) / 2;
    if (check(mid)) r = mid;
    else l = mid;
}
(2)eps 的选取

如果题目要求保留 4 位小数,eps = 1.e-6。如果保留 5 位小数,eps = 1.e-7。这样可以保留一个经验值,其他情况以此类推。

(3)mid 的选取
mid = l+r >> 1; 能否改成 mid = (l+r)/2; ?

这里的 mid 最好不要写成 l+r >> 1,因为 l+r >> 1 是将 l+r 右移一位,相当于除以 2,但在这里,我们需要计算 (l+r)/2,这个操作会进行向下取整,而右移操作会直接截断小数部分而不是四舍五入,所以可能会对精度产生影响。


3、练习

789. 数的范围 - AcWing题库

790. 数的三次方根 - AcWing题库


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