堆的时间复杂度分析

news2024/9/21 4:27:25

一,建堆的时间复杂度分析

堆是一颗完全二叉树,满二叉树又是一颗特殊的完全二叉树。

对于满二叉树来说,第一层的节点个数为2^0,第二层的节点个数为2^1,......所以可以得到第h层的节点个数为2^(h-1)。总结点个数N=2^0+2^1+...+2^(h-1)=2^h-1。那么就可以得出高度和节点个数的关系h=log(N+1)。

对于完全二叉树来说,最少情况下是上图中,最后一层只有一个节点,最多情况就是一个满二叉树。最少情况下,N=2^0+2^1+...+2^(h-2)+1=2^(h-1),同样高度和节点个数的关系:h=logN+1;

向上调整建堆和向下调整建堆的算法(内容在上一节中),最坏情况下都是要调整高度次,所以时间复杂度都是O(logN).

二,堆排序的时间复杂度分析

堆排序的大致思路:先将数据建堆(有4,),再将堆顶数据和最后一个数据交换,将除最后一个数据外的剩下数据重新建堆,反复执行,最大或最下的数据就会被放在后面,最后就得到一组有序数据。

//堆排序
void HeapSort(int* a, int n)
{
	//升序,建大堆
	//降序,建小堆

	//向下调整建堆
	//从第一个非叶子节点开始
	for (int i = (n - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--)
	{
		AdjustDown(a, n, i);
	}

	int end = n - 1;

	while (end > 0)
	{
		swap(&a[0], &a[end]);//交换
		AdjustDown(a, end, 0);//重新建堆
		end--;
	}
}
1,使用向下调整建堆

可能在只看代码时,会认为一个for循环,加上向下调整算法,时间复杂度是O(N*logN),其实不然,时间复杂度是O(N)。

向下调整建堆的思路:从第一个非叶子节点开始,使用向下调整算法,使它的左右子树都调成大堆或者小堆,依次循环。

 

时间复杂度分析: 

第一层有2^0个节点,每个节点最多向下调整h-1次。

第二层有2^1个节点,每个节点最多向下调整h-2次。

第三层有2^2个节点,每个节点最多向下调整h-3次。

......

第h-1层有2^(h-2)个节点,每个节点最多向下调整1次。

最多需要调整的次数

F(h)=2^0*(h-1)+2^1*(h-2)+2^2*(h-3)+...+2^(h-2)*1

2F(h)=2^1*(h-1)+2^2*(h-2)+2^3*(h-3)+...+2^(h-1)*1

相减得:F(h)=2^(h-1)+2^1+2^2+...+2^(h-2)-2^0*(h-1)

最后得:F(h)=2^h-1-h,再将h=logN代入:

F(h)=N-1-logN.(N的量级大于logN的量级)

所以向下建堆的时间复杂度为O(N)

2,使用向上调整建堆

向上调整建堆与向下相比,时间复杂度会更高。

//堆排序
void HeapSort(int* a, int n)
{
	//升序,建大堆
	//降序,建小堆
	//向上调整建堆
	for (int i = 1; i < n; i++)
	{
		AdjustUp(a, i);
	}
	int end = n - 1;

	while (end > 0)
	{
		swap(&a[0], &a[end]);
		AdjustDown(a, end, 0);
		end--;
	}
}

向上调整建堆的思路:将第一个数据看成是堆,从第二个数据开始,调用向上建堆算法,入一个数据,调用一次建堆。

时间复杂度分析:(从第二行开始)

第二行2^1个数据,每个数据向上调整1次

第三行2^2个数据,每个数据向上调整2次

......

第h行2^(h-1)个数据,每个数据向上调整h-1次

最多需要调整的次数:T(h)=2^1*1+2^2*2+...+2^(h-1)*(h-1)

                                    2T(h)=2^2*1+2^3*2+...+2^h*(h-1)

相减得:T(h)=2^h*(h-1)-2^1-(2^2+2^3+...+2^(h-1))

             T(h)=2^h*(h-1)-2^h+2

得:T(h)=(N+1)*(log(N+1)-1)-N+1

这个公式看最后一项就可以看出时间复杂度是O(N*logN),因为最后一行有2^(h-1)个节点,占整颗树节点的一半,还要调整h-1次。

3,比较

其实不难看出,向下建堆过程中,规律是:节点数量多的层*调整次数少,节点数量少得层*调整次数多。

向上建堆过程就相反,节点数量多的层*调整次数多,节点数量少得层*调整次数少。

所以向下调整建堆得时间复杂度更低。堆排序中用的也就是向下调整建堆。

4,重新建堆过程时间复杂度
while (end > 0)
{
	swap(&a[0], &a[end]);
	AdjustDown(a, end, 0);
	end--;
}

该过程是将建好的堆进行调整,交换堆顶数据和最后一个数据,然后将最后一个数据除外,重新形成一个堆,反复执行,使数据变得有序。

时间复杂度分析:

该过程每次都要调整,都是从第一个节点位置开始,N个节点,最多调整logN次,在加上一次循环,最多调整N*logN次。

该过程的时间复杂度是O(N*logN) 

堆排序的时间复杂度为:O(N*logN)+O(N), 其中N*logN的量级更大

总结:堆排序的时间复杂度为O(N*logN)

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