Сортировка методом прямого включения. Методы сортировки массивов Метод сортировки прямым включением программа на c

В нашем случае получился один проход “вхолостую”. Чтобы лишний раз не просматривать элементы, а значит проводить сравнения, затрачивая на это время, можно ввести флажок fl , который остается в значении false , если при очередном проходе не будет произведено ни одного обмена. На нижеприведенном алгоритме добавления отмечены жирным шрифтом.

fl = true

if fl = false then return

fl = false

for j = n to i step -1

if a(j) < a(j - 1) then

fl = true

Эффективность алгоритма сортировки прямым обменом

Число сравнений C max = n(n-1)/2 , порядок О(n 2).

Число перемещений М max =3C max =3n(n-1)/2, порядок О(n 2).

Если массив уже отсортирован и применяется алгоритм с флажком, то достаточно всего одного прохода, и тогда получаем минимальное число сравнений

Сортировка методом прямого включения, так же, как и сортировка методом простого выбора, обычно применяется для массивов, не содержащих повторяющихся элементов.

Сортировка этим методом производится последовательно шаг за шагом. На k –м шаге считается, что часть массива, содержащая первые k– 1 элемент, уже упорядочена, то есть .

Далее необходимо взять k –й элемент и подобрать для него место в отсортированной части массива такое, чтобы после его вставки упорядоченность не нарушилась, то есть надо найти такое что . Затем надо вставить элемент a(k) на найденное место.

С каждым шагом отсортированная часть массива увеличивается. Для выполнения полной сортировки потребуется выполнить n– 1 шаг.

Осталось ответить на вопрос, как осуществить поиск подходящего места для элемента х . Поступим следующим образом: будем просматривать элементы, расположенные левее х (то есть те, которые уже упорядочены), двигаясь к началу массива. Нужно просматривать элементы а(j) , j изменяется от k– l до 1. Такой просмотр закончится при выполнении одного из следующих условий:

Найден элемент , что говорит о необходимости вставки х между и а(j) .

Достигнут левый конец упорядоченной части массива, следовательно, нужно вставить х на первое место.

До тех пор, пока одно из этих условий не выполнится, будем смещать просматриваемые элементы на 1 позицию вправо, в результате чего в отсортированной части будет освобождено место под х .

Методику сортировки иллюстрирует таблица 2:

Таблица 2 – Пример сортировки с помощью прямого включения

Первоначально упорядоченная последовательность состоит из 1–го элемента 9. Элемент а(2) =5 – первый из неупорядоченной последовательности и 5 < 9, поэтому ставится на его место, а 9 сдвигается вправо. Теперь упорядоченная последовательность состоит из двух элементов 5, 9. Элемент а(3) =15 неупорядоченной последовательности больше всех элементов упорядоченной последовательности, поэтому остаётся на своём месте и на следующем шаге упорядоченная последовательность состоит из 5, 9, 15, а рассматриваемый элемент 6. Процесс происходит до тех пор, пока последовательность не станет упорядоченной.

Шейкерная сортировка

Метод пузырька допускает три простых усовершенствования. Во–первых, если на некотором шаге не было произведено ни одного обмена, то выполнение алгоритма можно прекращать. Во–вторых, можно запоминать наименьшее значение индекса массива, для которого на текущем шаге выполнялись перестановки. Очевидно, что верхняя часть массива до элемента с этим индексом уже отсортирована, и на следующем шаге можно прекращать сравнения значений соседних элементов при достижении такого значения индекса. В–третьих, метод пузырька работает неравноправно для "легких" и "тяжелых" значений. Легкое значение попадает на нужное место за один шаг, а тяжелое на каждом шаге опускается по направлению к нужному месту на одну позицию.

На этих наблюдениях основан метод шейкерной сортировки (ShakerSort). При его применении на каждом следующем шаге меняется направление последовательного просмотра. В результате на одном шаге "всплывает" очередной наиболее легкий элемент, а на другом "тонет" очередной самый тяжелый. Пример шейкерной сортировки приведен в таблице 3.

Таблица 3 – Пример шейкерной сортировки

Сортировка массива с помощью включений с уменьшающимися расстояниями (метод Шелла)

Д. Шеллом было предложено усовершенствование сортировки с помощью прямого включения.

Идея метода: все элементы массива разбиваются на группы таким образом, что в каждую группу входят элементы, отстоящие друг от друга на некоторое число позиций L . Элементы каждой группы сортируются. После этого все элементы вновь объединяются и сортируются в группах, при этом расстояние между элементами уменьшается. Процесс заканчивается после того, как будет проведено упорядочивание элементов с расстоянием между ними, равным 1.

Пример сортировки методом Шелла приведен в таблице 4.

Таблица 4 – Пример сортировки методом Шелла

Сначала рассмотрим вариант, когда первоначальное значение L равно половине числа элементов в массиве, а каждое последующее значение вдвое меньше предыдущего. Заметим, что обмениваются элементы, которые отстоят на величину шага. Если при сравнении 2–х элементов обмена не произошло, то места сравниваемых элементов сдвигаются вправо на одну позицию. Если обмен произошёл, то происходит сдвиг соответствующих сравниваемых элементов на L .

Сортировка разделением (быстрая сортировка)

Метод сортировки разделением был предложен Чарльзом Хоаром. Этот метод является развитием метода простого обмена и настолько эффективен, что его стали называть методом быстрой сортировки – «Quicksort».

Основная идея алгоритма состоит в том, что случайным образом выбирается некоторый элемент массива x , после чего массив просматривается слева, пока не встретится элемент a(i) такой, что a(i) > x , а затем массив просматривается справа, пока не встретится элемент a(i) такой, что a(i) < x . Эти два элемента меняются местами, и процесс просмотра, сравнения и обмена продолжается, пока мы не дойдем до элемента x . В результате массив окажется разбитым на две части – левую, в которой значения ключей будут меньше x , и правую со значениями ключей, большими x . Далее процесс рекурсивно продолжается для левой и правой частей массива до тех пор, пока каждая часть не будет содержать в точности один элемент. Рекурсию можно заменить итерациями, если запоминать соответствующие индексы массива.

Процесс сортировки массива быстрым методом представлен в таблице 5.

Таблица 5 – Пример быстрой сортировки

Сортировка методом прямого включения работает со списком неупорядоченных положительных целых чисел (обычно называемых ключами), сортируя их в порядке возрастания. Это делается примерно так же, как большинство игроков упорядочивают сданные им карты, поднимая каждый раз по одной карте. Покажем работу общей процедуры на примере следующего неотсортированного списка из восьми целых чисел:

27 412 71 81 59 14 273 87.

Отсортированный список создается заново; вначале он пуст. На каждой итерации первое число неотсортированного списка удаляется из него и помещается на соответствующее ему место в отсортированном списке. Для этого отсортированный список просматривается, начиная с наименьшего числа, до тех пор, пока не находят соответствующее место для нового числа, т.е. пока все отсортированные числа с меньшими значениями не окажутся впереди него, а все числа с большими значениями --- после него. Следующая последовательность списков показывает,как это делается:

Итерация 0

Отсортированный 27

Итерация 1 Неотсортированный 412 71 81 59 14 273 87

Отсортированный 27 412

Итерация 2 Неотсортированный 71 81 59 14 273 87

Отсортированный 27 71 412

Итерация 3 Неотсортированный 81 59 14 273 87

Отсортированный 27 71 81 412

Итерация 4 Неотсортированный 59 14 273 87

Отсортированный 27 59 71 81 412

Итерация 5 Неотсортированный 14 273 87

Отсортированный 14 27 59 71 81 412

Итерация 6 Неотсортированный 273 87

Отсортированный 14 27 59 71 81 273 412

Итерация 7 Неотсортированный 87

Отсортированный 14 27 59 71 81 87 273 412

В следующем алгоритме заводится только один список, и переорганизация чисел производится в старом списке.

Algorithm SIS (Сортировка Прямым включением). Отсортировать на старом месте последовательность целых чисел I(1), I(2), . . . ,I (N) в порядке возрастания.

Шаг 1. [ Основная итерация ]

For J← 2 to Ndo through шаг 4 od ;and STOP.

Шаг 2. [ Выбор следующего целого ] Set K← I(J); and L←J−1.

Шаг 3. [ Сравнение с отсортированного целыми ] While K

AND L≥1 do set I (L+1)← I(L); and L←L−1 od.

Шаг 4. [ Включение ] Set I(L+1)←K.

QUICKSORT :Алгоритм сортировки со средним временем работы О(N ln N)

Основная причина медленной работы алгоритма SIS заключается в том, что, все сравнения и обмены между ключами в последовательности а 1 , а 2 , . . . ,а N происходят для пар из соседних элементов. При таком способе требуется относительно большое

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Строк 38 08 16 06 79 76 57 24 56 02 58 48 04 70 45 47Действие

1 38 47 уменьшение j

5 04 38 обмен

6 08 38 увеличение i

10 38 79 обмен

14 02 38 обмен

15 76 38 увеличение i,>

16 38 76 обмен

17 38 56 уменьшение j

19 24 38 обмен

20 57 38 увеличение i,>

21 38 57 обмен,уменьшение

22 04 08 16 06 02 24 38 57 56 76 58 48 79 70 45 47

(1 2 3 4 5 6) 7 (8 9 10 11 12 13 14 15 16)

время, чтобы поставить ключ, находящийся не на месте, в нужную позицию в сортируемой последовательности. Естественно попытаться ускорить этот процесс, сравнивая пары элементов, находящихся далеко друг от друга в последовательности.

К.Хоор изобрел и весьма эффективно применил эту идею (алгоритм QUICKSORT), сократив среднее время работы алгоритма SIS от порядка О(N 2) до порядка О(N ln N). Поясним этот алгоритм следующим примером.

Предположим, что мы хотим отсортировать последовательность чисел из первой строки на рис. 15. Начнем с предположения, что первый ключ в этой последовательности(38) служит хорошей аппроксимацией ключа, который в конечном счете появится в середине отсортированной последовательности. Используем это значение в качестве ведущего элемента, относительно которого ключи могут меняться местами, и продолжим следующим образом. Устанавливаем два указателя I и J , из которых I начинает отсчет слева (I=1) ,а J- слева в последовательности (J=N). Сравнивая а I и а J . Если а I ≤a J , устанавливаем J←J−1 и проводим следующее сравнение. Продолжаем уменьшать J до тех пор, пока не достигнем а I >а J . Тогда поменяем местами а I ↔a J (Рис.15 , строка 5 , обмен ключей 38 и 04), устанавливаем I←I+1 и продолжаем увеличивать I до тех пор, пока не получим а I >а J . После следующего обмена (строка 10, 79↔38) снова уменьшаем J. Чередуя уменьшение J и увеличение I , продолжаем этот процесс с обоих концов последовательности к «середине» до тех пор, пока не получим I=J.

Теперь имеют место два факта. Во-первых,ключ(38),который сначала находился в первой позиции, к этому времени занимает надлежащее место в сортируемой последовательности. Во- первых,все ключи слева от этого элемента будут меньшими, а все ключи справа- большими.

Ту же процедуру можно применить к левой и правой подпоследовательностям для окончательной сортировки всей последовательности. Последняя строка (с номером 22) рис.15 показывает, что когда будет получено I=J, то I=7. После этого процедура снова применяется к подпоследовательностям (1,6) и (8,16).

Рекурсивный характер алгоритма наводит на мысль, что следует значения индексов крайних элементов большей из двух неотсортированных подпоследовательностей (8,16) поместить на стек и затем перейти к сортировке меньшей подпоследовательности (1,6).

В строке 4 на рис.15 число 04 перешло в позицию 2 и сортировке подлежат подпоследовательности (1,1) и (3,6). Так как (1,1) уже отсортирована (число 02), сортируем (3,6), что в свою очередь ведет к строке 6 , в которой подлежат сортировке (3,4) и (6,6). В строке 7 подпоследовательность (1,6) отсортирована. Теперь извлекаем (8,16) из стека и начинаем сортировку этой подпоследовательности. В строке 13 находятся подпоследовательности (8,11) и (13,16), которые надо отсортировать. Помещаем (13,16) на стек, сортируем (8,11) и т.д. В строке 20 последовательность целиком отсортирована.

Прежде чем описать алгоритм QUICKSORT формально, нужно точно показать,как он работает. Мы пользуемся стеком [ LEFT (K), RIGHT (K) ] для запоминания индексов крайних левого и правого элементов еще не не отсортированных подпоследовательностей. Так как короткие подпоследовательности быстрее сортируются при помощи обычного алгоритма, алгоритм QUICKSORT имеет входной параметр М, который определяет, насколько короткой должна бать подпоследовательность, чтобы ее сортировать обычным способом.Для этой цели пользуемся сортировкой простыми включениями (SIS).

Поиск

Теперь обратимся к исследованию некоторых основных проблем, относящихся к поиску информации на стуктурах данных. Как и в предыдущем разделе, посвященному сортировки, будем предполагать, что вся информация хранится в записях, которые можно идентифицировать значениями ключей, т.е. записи R i соответствует значение ключа,обозначаемое K i .

Предположим,что в файле расположены случайным образом N записей в виде линейного массива. Очевидным методом поиска заданной записи будет последовательный просмотр ключей. Если найден нужный ключ, поиск оканчивается успешно; в противном случае будут просмотрены все ключи, а поиск окажется безуспешным.Если все возможные порядки расположения ключей равновероятны, то такой алгоритм требует O(N) основных операций как в худшем, так и в среднем случаях. Время поиска можно заметно уменьшить, если предварительно упорядочить файл по ключам. Эта предварительная работа имеет смысл, если файл достаточно велик и к нему обращаются часто.

Предположим, что мы обратились к середине файла и обнаружили там ключ K i . Сравним К и К i . Если К=К i , то нужная запись найдена. Если К<К i ,то ключ К должен находиться в части файла, предшествующей К i (если запись с ключом К вообще существует) . Аналогично, если К i <К, то дальнейший поиск следует вести в части файла, следующей за К i . Если повторять эту процедуру проверки ключа К i из середины непросмотренной части файла, тогда каждое безуспешное сравнение К с К i будет исключать из рассмотрения приблизительно половину непросмотренной части.

Блок-схема этой процедуры, известной под названием двоичный поиск , приведена на рис.16

Algorithm BSEARCH (Binary search- двоичный поиск) поиска записи с ключом К в файле с N≥2 записями, ключи которых упорядочены по возрастанию К 1 <К 2 …<К N .

Шаг 0. [Инициализация] Set FIRST←1 ; LAST← N. (FIRST и LAST- указатели первого и последнего ключей в еще не просмотренной части файла.)

Шаг 1. [Основной цикл ] While LAST≥FIRST do through шаг 4 od.

Шаг 2. [Получение центрального ключа] Set I←|_(FIRST + LAST)/2_| .(К i - ключ, расположенный в середине или слева от середины еще не просмотренной части файла.)

Шаг 3. [Проверка на успешное завершение ] If К=К I then PRINT «Успешное окончание, ключ равен К I »;and STOP fi.

Шаг 4. [ Сравнение] If K< K I then set LAST←I-1 else set FIRST←I+1 fi.

Шаг 5. [ Безуспешный поиск] PRINT «безуспешно»; and STOP.

Алгоритм BSEARCH используется для отыскания К=42 на рис.17.

Метод двоичного поиска можно также применить для того, чтобы представить упорядоченный файл в виде двоичного дерева. Значение ключа, найденное при первом выполнении шага 2 (К(8)=53), является корнем дерева. Интервалы ключей слева (1,7) и справа (9,16) от этого значения помещаются на стек. Верхний интервал снимается со стека и с помощью шага 2 в нем отыскивается средний элемент (или элемент слева от середины). Этот ключ (К(4)=33) становится следующим после корня элементом влево, если его значение меньше значения корня, и следующим вправо в противном случае. Подынтервалы этого интервала справа и слева от вновь добавленного ключа [(1,3) , (5,7)] помещаются теперь на стек.Эта процедура повторяется до тех пор, пока стек не окажется пустым. На рис.18 показано двоичное дерево, которое было бы построено для 16 упорядоченных ключей с рис.17.

Двоичный поиск можно теперь интерпретировать как прохождение этого дерева от корня до искомой записи. Если достигнута конечная вершина, а заданный ключ не найден, искомая запись в данном файле отсутствует. Заметим, что число вершин на единственном пути от корня к заданному ключу К равно числу сравнений, выполняемых алгоритмом BSEARCH при попытке отыскания К.

Такой метод широко используется при игре в карты. Элементы (карты) мысленно делятся на уже «готовую» последовательность A 1 , A 2 ,…, A i -1 , и «оставшуюся» (не сортированную) часть: A i , A i +1 ,…, A N .

Суть метода заключается в том, что при каждом i-ом шаге (начиная с i = 2), из неотсортированной части извлекается i-ый элемент и помещается в «готовую» часть, при этом он вставляется на нужное место.

Текстовый алгоритм метода:

1. Начало.

2. Выполнить цикл, пока i имеет значения от 2 до N,
шаг = 1:

а) i-ый элемент (A(i)) поместить в ячейку A(0);

б) присвоить j = -1, то есть j равно номеру элемента, находящегося слева от испытуемого (i-го) и таким образом стоящего в «готовой» последовательности;

в) если А(0) ≥ А(j), то элемент А(0) поместить в ячейку А(j+1), иначе элемент А(j) поместить в ячейку А(j+1), уменьшить значение j на единицу и вновь выполнить пункт в).

На рис. 1 представлена блок-схема сортировки методом прямого включения.

Метод работает следующим образом: на i-ом шаге (начиная с i = 2) i-ый элемент помещается в свободную ячейку (например, А(0)). Этот элемент сравнивается со стоящим в «готовой» части слева от него элементом. Если элемент А(0) меньше, то происходит сдвиг вправо сравниваемого (j-го элемента) на одну позицию, после чего для сравнения берется следующий элемент. Если же элемент А(0) при сравнении оказывается не меньше, то он помещается на место, стоящее сразу за сравниваемым элементом.

Рис. 1. Блок-схема сортировки методом прямого включения

На рис. 2 приведен пример выполнения сортировки методом прямого включения.

Исходная последовательность
	А (0)
I = 2
I = 3
I = 4
I = 5
I = 6
I = 7
I = 8
Результат

Рис. 2. Пример сортировки методом прямого включения

Сортировка прямым включением больше подходит для случая, когда сортируемые данные поступают последовательно (одно за другим).

Сортировка методом прямого выбора

Суть метода заключается в следующем. Выбирается наименьший элемент в «оставшейся» (неотсортированной) части и меняется местами с первым элементом (в этой же неотсортированной части). После этого длина неотсортированной части уменьшается на один элемент (на первый), и весь процесс продолжается уже с (n – 1) элементами, затем с (n – 2) элементами и т.д., до тех пор, пока не останется один, самый большой элемент.

Этот метод в некотором смысле противоположен методу прямого включения. В методе прямого включения на каждом шаге рассматривается только один очередной элемент и все элементы уже «готовой» части последовательности, среди которых отыскивается точка включения этого очередного элемента. А в методе прямого выбора для поиска одного (минимального) элемента просматривают все элементы неотсортированной части, и этот минимальный элемент помещается как очередной элемент в уже «готовую» часть.

Текстовый алгоритм метода:

1. Начало.

2. Выполнить цикл, пока i имеет значения от 1 до N – 1,
шаг = 1:

а) поместим текущий (i-ый) элемент в какую-нибудь ячейку памяти (Х) и запомним порядковый номер (i) текущего элемента (в переменной К);

б) выполнить цикл, пока j имеет значения от i + 1 (то есть от следующего за i элемента) до N, шаг = +1:

тело цикла: если Х > А(j), то помещаем в ячейку Х элемент А(j) и запоминаем его номер в ячейке К;

в) присвоить А(К) = А(i) и А(i) = Х.

На рис. 3 приведен пример выполнения сортировки методом прямого выбора.

Рис. 3. Пример сортировки методом прямого выбора