【算法基础】(一)基础算法 --- 快速排序

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💤一. 快速排序：（分治）

题目要求：

给定你一个长度为n的整数数列
请你使用快速排序对这个数列按照从小到大进行排序
并将排好的数列按顺序输出

输入格式：

输入一共两行，第一行包含整数n
第二行包含n个整数（所有整数均在1 ~ 10^9范围内），表示整个数列

输出格式：

输出共一行，包含n个整数，表示排好序的数列

数据范围：

1 <= n <= 100000

输入样例：

5
3 1 2 4 5

输出样例：

1 2 3 4 5

快排思路：

1. 先确定分界点：左右极点分别为q[i]，q[j]，中间值为q[(i+j) / 2]
2. 调整区间：定义一个任意值x，让小于x的值都挪到x左边，让大于x的值都挪到x右边
3. 递归处理左右两段，让他们进行排序然后衔接，方法就是左右极限都定义一个指针，左指针往右走，遇到大于x的值就停下来，右指针往左走，遇到小于x的值就停下来，然后俩指针指向的值进行交换，直到相遇为止，这样左边就全是小于x的值，右边全是大于x的值，然后完成衔接，排序就完成了

导图：

1. 首先我们需要输入第一行包含整数n，第二行包含n个整数：

Scanner sc = new Scanner(System.in);
int n = sc.nextInt();
int[] q = new int[n];
for(int i=0; i<n; i++){
	q[i] = sc.nextInt();
}
1
2
3
4
5
6

2. 对快速排序函数进行分类处理：

①：当左边界大于等于右边界的时候直接返回

if(l >= r) return;
1

②：取随机值x我们最好取左右边界的中间值，因为取左右边界值可能会超时，时间复杂度退化，当我们左右指针往中间挪的时候我们不要把起点定在左右边界处，要放在边界外面一位，方便我们处理边界，不容易发生混淆

int x = q[l + r >> 1], i = l - 1, j = r + 1;
1

③：当左指针没遇到右指针的时候，我们需要考虑到随机值x，当左指针小于x的时候就往右边走，当右指针大于x的时候就往左边走，如果左指针和右指针都停了的时候，就交换两边的数据，然后继续往后走

while(i < j){
    while( q[++i] < x );
    while( q[--j] > x) ;
    if(i < j){
        int t = q[i];
        q[i] = q[j];
        q[j] = t;
    }
}
1
2
3
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7
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9

④：对边界的处理

quickSort(q, l, j);
quickSort(q, j + 1, r);
1
2

在这里对边界进行一个小结：

quickSort(q, l, j);
quickSort(q, j + 1, r);

或

quickSort(q, l, i - 1);
quickSort(q, i, r);

1. 是因为对于第一次处理后的数组，索引i左侧的数字都是小于等于x，但不包括q[i]。索引i右侧的数字都是大于等于x，包括q[i]。故区间分为[l,i-1]和[i,r]。
2. 同理，对于第一次处理后的数组，索引j左侧的数字都是小于等于x，包括q[j]。索引j右侧的数字都是大于等于x，不包括q[j]。故区间分为[l,j]和[j+1,r]。

再对x位置小结：

1. 如果区间取[l,i-1]和[i,r]这种，那么x不应该取左边界(l、(l+r)/2)。
   应取 x = q[r]; x = q[(l+r+1)/2];
2. 如果区间取[l,j]和[j+1,r]这种，那么x不应该取右边界(如r、(l+r+1)/2)。
   应取 x = q[l]; x = q[(l+r)/2];
    
   自己选择其中一种即可。

附上总的代码

public static void main(String[] args){
    Scanner sc = new Scanner(System.in);
    int n = sc.nextInt();
    int[] q = new int[n];
    for(int i=0; i<n; i++){q[i] = sc.nextInt();}

    quickSort(q, 0, n-1);
    for(int i=0; i<n; i++){System.out.print(q[i] + " ");}
}

public static void quickSort(int[] q, int l, int r){
    if(l >= r) return;
    int x = q[l + r >> 1], i = l - 1, j = r + 1;
    while(i < j){
        while( q[++i] < x );
        while( q[--j] > x) ;
        if(i < j){
            int t = q[i];
            q[i] = q[j];
            q[j] = t;
        }
    }
    quickSort(q, l, j);
    quickSort(q, j + 1, r);
}
1
2
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💦二.第k个数

题目要求：

给定一个长度为 n 的整数数列，以及一个整数 k，请用快速选择算法求出数列从小到大排序后的第 k 个数。

输入格式:

第一行包含两个整数 n 和 k。
第二行包含 n 个整数（所有整数均在 1∼109 范围内），表示整数数列。

输出格式：

输出一个整数，表示数列的第 k 小数。

数据范围：

1≤n≤100000 ,
1≤k≤n

输入样例：

5 3
2 4 1 5 3

输出样例：

3

根据我们上述的快排思路，我们还可以再多分一步就可以

1. 先确定分界点：左右极点，中间值
2. 左边所有数<= x，右边所有数>= x
3. 当我们找的k小于等于x的时候，就递归左边所有的数Left，反之，当k大于x的时候，就递归右边的所有的数Right

1. 首先我们需要创建两个整数 n 和 k，创建数组arr来输入

Scanner s  =  new Scanner(System.in);
int n = s.nextInt();
int k = s.nextInt();
int[] arr = new int[n];
for(int i = 0;i < arr.length;i++){
    arr[i] = s.nextInt();
}
1
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2. 接下来我们需要按照快排函数来实现它，和上面一题思路一样代码也一样，模板照抄

①：分情况处理

if(left >= right) return left;
int x = arr[(left + right) / 2],i = left - 1,j = right + 1;
while(i < j){
    while(arr[++i] < x);
    while(arr[--j] > x);
    if(i < j){
        int temp = arr[i];
        arr[i] = arr[j];
        arr[j] = temp;
    }
}
1
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②：边界问题

int sl = j - left + 1;
if(k <= sl) return quickSort(arr,left,j,k);
else return quickSort(arr,j+1,right,(k-sl));
1
2
3

在这里sl代表小于x的区域，它的范围个数是 j - left + 1，当k值小于第一区域个数时，返回的就是第一个区域的个数数值，当它个数范围比第一区域大的时候，就在大于x的区域找，第二个区域的范围就是 j + 1到 right，然后返回值为k - sl

附上总的代码

public static void main(String[] args){
    Scanner s  =  new Scanner(System.in);
    int n = s.nextInt();
    int k = s.nextInt();
    int[] arr = new int[n];
    for(int i = 0;i < arr.length;i++){
        arr[i] = s.nextInt();
	}
    int result = quickSort(arr,0,n-1,k);
    System.out.print(arr[result]);
}

public static int quickSort(int[] arr,int left,int right,int k){
    if(left >= right) return left;
    int x = arr[(left + right) / 2],i = left - 1,j = right + 1;
    while(i < j){
        while(arr[++i] < x);
        while(arr[--j] > x);
        if(i < j){
            int temp = arr[i];
            arr[i] = arr[j];
            arr[j] = temp;
        }
    }
    int sl = j - left + 1;
    if(k <= sl) return quickSort(arr,left,j,k);
    else return quickSort(arr,j+1,right,(k-sl));
}
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