Chương 4. SẮP XẾP THỨ TỰ

Chia sẻ: Baby Love | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:37

Thêm vào BST

Báo xấu

243
lượt xem 57
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài toán sắp xếp thứ tự Sắp xếp là quá trình xử lý một danh sách các phần tử (hoặc các mẫu tin) để đặt chúng theo một thứ tự thỏa mãn một tiêu chuẩn nào đó dựa trên nội dung thông tin lưu giữ tại mỗi phần tử. Cho trước một dãy số a1 , a2 ,... , aN được lưu trữ trong cấu trúc dữ liệu mảng int.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 4. SẮP XẾP THỨ TỰ

Chương 4. SẮP XẾP THỨ TỰ 4.1. Bài toán sắp xếp thứ tự Sắp xếp là quá trình xử lý một danh sách các phần tử (hoặc các mẫu tin) để đặt chúng theo một thứ tự thỏa mãn một tiêu chuẩn nào đó dựa trên nội dung thông tin lưu giữ tại mỗi phần tử. Cho trước một dãy số a1 , a2 ,... , aN được lưu trữ trong cấu trúc dữ liệu mảng int A[n]; Sắp xếp dãy số a1 , a2 ,... ,aN là thực hiện việc bố trí lại các phần tử sao cho hình thành được dãy mới ak1 , ak2 ,... ,akN có thứ tự ( giả sử xét thứ tự tăng) nghĩa là aki ? aki-1. Mà để quyết định được những tình huống cần thay đổi vị trí các phần tử trong dãy, cần dựa vào kết quả của một loạt phép so sánh. Chính vì vậy, hai thao tác so sánh và gán là các thao tác cơ bản của hầu hết các thuật toán sắp xếp. Khi xây dựng một thuật toán sắp xếp cần chú ý tìm cách giảm thiểu những phép so sánh và đổi chỗ không cần thiết để tăng hiệu quả của thuật toán. Ðối với các dãy số được lưu trữ trong bộ nhớ chính, nhu cầu tiết kiệm bộ nhớ được đặt nặng, do vậy những thuật toán sắp xếp đòi hỏi cấp phát thêm vùng nhớ để lưu trữ dãy kết quả ngoài vùng nhớ lưu trữ dãy số ban đầu thường ít được quan tâm. Thay vào đó, các thuật toán sắp xếp trực tiếp trên dãy số ban đầu - gọi là các thuật toán sắp xếp tại chỗ - lại được đầu tư phát triển. Phần này giới thiệu một số giải thuật sắp xếp từ đơn giản đến phức tạp có thể áp dụng thích hợp cho việc sắp xếp nội 4.2. Sắp thứ tự nội 4.2.1. Sắp thứ tự bằng phương pháp lựa chọn trực tiếp Giải thuật • Ta thấy rằng, nếu mảng có thứ tự, phần tử ai luôn là min(ai, ai+1, ., an-1). Ý tưởng của thuật toán chọn trực tiếp mô phỏng một trong những cách sắp xếp tự nhiên nhất trong thực tế: chọn phần tử nhỏ nhất trong N phần tử ban đầu, đưa phần tử này về vị trí đúng là đầu dãy hiện hành; sau đó không quan tâm đến nó nữa, xem dãy hiện hành chỉ còn N-1 phần tử của dãy ban đầu, bắt đầu từ vị trí thứ 2; lặp lại quá trình trên cho dãy hiện hành... đến khi dãy hiện hành chỉ còn 1 phần tử. Dãy ban đầu có N phần tử, vậy tóm tắt ý tưởng thuật toán là thực hiện N-1 lượt việc đưa phần tử nhỏ nhất trong dãy hiện hành về vị trí đúng ở đầu dãy. Các bước tiến hành như sau : Bước 1: i = 1; • Bước 2: Tìm phần tử a[min] nhỏ nhất trong dãy hiện hành từ a[i] đến a[N] • Bước 3 : Hoán vị a[min] và a[i] • • Bước 4 : Nếu i ? N-1 thì i = i+1; Lặp lại Bước 2 Ngược lại: Dừng. //N-1 phần tử đã nằm đúng vị trí. Ví dụ • Cho dãy số a: 12 2 8 5 1 6 4 15
Cài đặt • Cài đặt thuật toán sắp xếp chọn trực tiếp thành hàm SelectionSort void SelectionSort(int a[],int N ) { int min; // chỉ số phần tử nhỏ nhất trong dãy hiện hành for (int i=0; i
{ min = i; for(int j = i+1; j
Bước 3: Dời chỗ các phần tử từ a[pos] đến a[i-1] sang phải 1 vị trí • để dành chổ cho a[i] Bước 4: a[pos] = x; // có đoạn a[1]..a[i] đã được sắp • Bước 5: i = i+1; • Nếu i ? n : Lặp lại Bước 2. Ngược lại : Dừng. Ví dụ • Cho dãy số a: 12 2 8 5 1 6 4 15
Dừng Cài đặt • Cài đặt thuật toán sắp xếp chèn trực tiếp thành hàm InsertionSort void InsertionSort(int a[], int N ) { int pos, i; int x;//lưu giá trị a[i] tránh bị ghi đè khi dời chỗ các phần tử. for(int i=1 ; i
x = a[i]; pos = i-1; // tìm vị trí chèn x while((pos >= 0)&&(a[pos] > x)) {// kết hợp dời chỗ các phần tử sẽ đứng sau x trong dãy mới a[pos+1] = a[pos]; pos--; } a[pos+1] = x];// chèn x vào dãy } } Nhận xét Khi tìm vị trí thích hợp để chèn a[i] vào đoạn a[0] đến a[i-1], do đoạn đã được sắp, nên có thể sử dụng giải thuật tìm nhị phân để thực hiện việc tìm vị trí pos, khi đó có giải thuật sắp xếp chèn nhị phân : void BInsertionSort(int a[], int N ) { int l,r,m,i; int x;//lưu giá trị a[i] tránh bị ghi đè khi dời chỗ các phần tử. for(int i=1 ; i
Xấu nhất 4.2.3. Sắp thứ tự bằng phương pháp nổi bọt Giải thuật • Ý tưởng chính của giải thuật là xuất phát từ cuối (đầu) dãy, đổi chỗ các cặp phần tử kế cận để đưa phần tử nhỏ (lớn) hơn trong cặp phần tử đó về vị trí đúng đầu (cuối) dãy hiện hành, sau đó sẽ không xét đến nó ở bước tiếp theo, do vậy ở lần xử lý thứ i sẽ có vị trí đầu dãy là i . Lặp lại xử lý trên cho đến khi không còn cặp phần tử nào để xét. Các bước tiến hành như sau : Bước 1 : i = 1; // lần xử lý đầu tiên • Bước 2 : j = N; //Duyệt từ cuối dãy ngược về vị trí i • Trong khi (j < i) thực hiện: Nếu a[j]N-1: Hết dãy. Dừng Ngược lại: lặp lại bước 2 Cài đặt thuật toán sắp xếp theo kiểu nổi bọt thành hàm BubbleSort: void BubbleSort(int A[] , int n) { int i, j; for (i=0; i=i+1; j--) if (A[j] < A[j-1] ) hoanvi(A[j-1],A[j]); } Ðánh giá giải thuật • Ðối với giải thuật nổi bọt, số lượng các phép so sánh xảy ra không phụ thuộc vào tình trạng của dãy số ban đầu, nhưng số lượng phép hoán vị thực hiện tùy thuộc vào kết qủa so sánh, có thể ước lược trong từng trường hợp như sau : Trường Số lần so sánh Số lần hoán vị hợp Tốt nhất 0 Xấu nhất Nhận xét
BubbleSort có các khuyết điểm sau: không nhận diện được tình trạng dãy đã có thứ tự hay có thứ tự từng phần. Các phần tử nhỏ được đưa về vị trí đúng rất nhanh, trong khi các phần tử lớn lại được đưa về vị trí đúng rất chậm. 4.2.4. Sắp thứ tự bằng phương pháp trộn trực tiếp Ðể sắp xếp dãy a1, a2, ..., an, giải thuật Merge Sort dựa trên nhận xét sau: Mỗi dãy a1, a2, ..., an bất kỳ đều có thể coi như là một tập hợp các dãy con liên tiếp mà mồi dãy con đều đã có thứ tự. Ví dụ dãy 12, 2, 8, 5, 1, 6, 4, 15 có thể coi như gồm 5 dãy con không giảm (12); (2, 8); (5); (1, 6); (4, 15). Dãy đã có thứ tự coi như có 1 dãy con. Như vậy, một cách tiếp cận để sắp xếp dãy là tìm cách làm giảm số dãy con không giảm của nó. Ðây chính là hướng tiếp cận của thuật toán sắp xếp theo phương pháp trộn. Trong phương pháp Merge sort, mấu chốt của vấn đề là cách phân hoạch dãy ban đầu thành các dãy con. Sau khi phân hoạch xong, dãy ban đầu sẽ được tách ra thành 2 dãy phụ theo nguyên tắc phân phối đều luân phiên. Trộn từng cặp dãy con của hai dãy phụ thành một dãy con của dãy ban đầu, ta sẽ nhân lại dãy ban đầu nhưng với số lượng dãy con ít nhất giảm đi một nửa. Lặp lại qui trình trên sau một số bước, ta sẽ nhận được 1 dãy chỉ gồm 1 dãy con không giảm. Nghĩa là dãy ban đầu đã được sắp xếp. Giải thuật trộn trực tiếp là phương pháp trộn đơn giản nhất. Việc phân hoạch thành các dãy con đơn giản chỉ là tách dãy gồm n phần tử thành n dãy con. Ðòi hỏi của thuật toán về tính có thứ tự của các dãy con luôn được thỏa trong cách phân hoạch này vì dãy gồm một phân tử luôn có thứ tự. Cứ mỗi lần tách rồi trộn, chiều dài của các dãy con sẽ được nhân đôi. Các bước thực hiện thuật toán như sau: Bước 1 : // Chuẩn bị • k = 1; // k là chiều dài của dãy con trong bước hiện hành Bước 2 : • Tách dãy a1, a2, ., an thành 2 dãy b, c theo nguyên tắc luân phiên từng nhóm k phần tử: b = a1, ., ak, a2k+1, ., a3k, . c = ak+1, ., a2k, a3k+1, ., a4k, . Bước 3 : • Trộn từng cặp dãy con gồm k phần tử của 2 dãy b, c vào a. Bước 4 : • k = k*2;
Nếu k < n thì trở lại bước 2. Ngược lại: Dừng Ví dụ • Cho dãy số a: 12 2 8 5 1 6 4 15 k = 1: k = 2: k = 4: Cài đặt • int b[MAX], c[MAX]; // hai mảng phụ void MergeSort(int a[], int n) { int p, pb, pc; // các chỉ số trên các mảng a, b, c int i, k = 1; // độ dài của dãy con khi phân hoạch do {
// tách a thanh b và c; p = pb = pc = 0; while(p < n) { for(i = 0; (p < n)&&(i < k); i++) b[pb++] = a[p++]; for(i = 0; (p < n)&&(i < k); i++) c[pc++] = a[p++]; } Merge(a, pb, pc, k); //trộn b, c lại thành a k *= 2; }while(k < n); } Trong đó hàm Merge có thể được cài đặt như sau : void Merge(int a[], int nb, int nc, int k) { int p, pb, pc, ib, ic, kb, kc; p = pb = pc = 0; ib = ic = 0; while((0 < nb)&&(0 < nc)) { kb = min(k, nb); kc = min(k, nc); if(b[pb+ib]
else { a[p++] = c[pc+ic]; ic++; if(ic == kc) { for(; ib
Trong đó một phần tử ở mức i chính là phần tử lớn trong cặp phần tử ở mức i+1, do đó phần tử ở mức 0 (nút gốc của cây) luôn là phần tử lớn nhất của dãy. Nếu loại bỏ phần tử gốc ra khỏi cây (nghĩa là đưa phần tử lớn nhất về đúng vị trí), thì việc cập nhật cây chỉ xảy ra trên những nhánh liên quan đến phần tử mới loại bỏ, còn các nhánh khác được bảo toàn, nghĩa là bước kế tiếp có thể sử dụng lại các kết quả so sánh ở bước hiện tại. Trong ví dụ trên ta có : Loại bỏ 8 ra khỏi cây và thế vào các chỗ trống giá trị -? để tiện việc cập nhật lại cây : Có thể nhận thấy toàn bộ nhánh trái của gốc 8 cũ được bảo toàn, do vậy bước kế tiếp để chọn được phần tử lớn nhất hiện hành là 6, chỉ cần làm thêm một phép so sánh 1 với 6. Tiến hành nhiều lần việc loại bỏ phần tử gốc của cây cho đến khi tất cả các phần tử của cây đều là -?, khi đó xếp các phần tử theo thứ tự loại bỏ trên cây sẽ có dãy đã sắp xếp. Trên đây là ý tưởng của giải thuật sắp xếp cây. 4.2.5.2. Cấu trúc dữ liệu HeapSort Tuy nhiên, để cài đặt thuật toán này một cách hiệu quả, cần phải tổ chức một cấu trúc lưu trữ dữ liệu có khả năng thể hiện được quan hệ của các phần tử trong cây với n ô nhớ thay vì 2n-1 như trong ví dụ . Khái niệm heap và phương pháp sắp xếp Heapsort do J.Williams đề xuất đã giải quyết được các khó khăn trên. Ðịnh nghĩa Heap : Giả sử xét trường hợp sắp xếp tăng dần, khi đó Heap được định nghĩa là một dãy các phần tử al, a2 ,... , ar thoả các quan hệ sau với mọi i ⎮ [l, r]: ai >= a2i 1/. ai >= a2i+1 {(ai , a2i), (ai ,a2i+1) là các cặp phần tử liên đới } 2/.
Heap có các tính chất sau : Tính chất 1 : Nếu al , a2 ,... , ar là một heap thì khi cắt bỏ một số phần tử ở hai đầu • của heap, dãy con còn lại vẫn là một heap. • Tính chất 2 : Nếu a1 , a2 ,... , an là một heap thì phần tử a1 (đầu heap) luôn là phần tử lớn nhất trong heap. • Tính chất 3 : Mọi dãy al , a2 ,... , ar với 2l > r là một heap. Giải thuật Heapsort : Giải thuật Heapsort trải qua 2 giai đoạn : Giai đoạn 1 :Hiệu chỉnh dãy số ban đầu thành heap; • Giai đoạn 2: Sắp xếp dãy số dựa trên heap: • Bước 1: Ðưa phần tử nhỏ nhất về vị trí đúng ở cuối dãy: o r = n; Hoánvị (a1 , ar ); Bước 2: Loại bỏ phần tử nhỏ nhất ra khỏi heap: r = r-1; o Hiệu chỉnh phần còn lại của dãy từ a1 , a2 ... ar thành một heap. Bước 3: Nếu r>1 (heap còn phần tử ): Lặp lại Bước 2 o Ngược lại : Dừng Dựa trên tính chất 3, ta có thể thực hiện giai đoạn 1 bắng cách bắt đầu từ heap mặc nhiên an/2+1 , an/2+2 ... an, lần lượt thêm vào các phần tử an/2, an/2-1, ., a1 ta sẽ nhân được heap theo mong muốn. Như vậy, giai đoạn 1 tương đương với n/2 lần thực hiện bước 2 của giai đoạn 2. Ví dụ • Cho dãy số a: 12 2 8 5 1 6 4 15 Giai đoạn 1: hiệu chỉnh dãy ban đầu thành heap
Giai đoạn 2: Sắp xếp dãy số dựa trên heap :
thực hiện tương tự cho r=5,4,3,2 ta được: Cài đặt • Ðể cài đặt giải thuật Heapsort cần xây dựng các thủ tục phụ trợ: a. Thủ tục hiệu chỉnh dãy al , al+1 ...ar thành heap : Giả sử có dãy al , al+1 ...ar, trong đó đoạn al+1 ...ar, đã là một heap. Ta cần xây dựng hàm hiệu chỉnh al , al+1 ...ar thành heap. Ðể làm điều này, ta lần lượt xét quan hệ của một phần tử ai nào đó với các phần tử liên đới của nó trong dãy là a2i và a2i+1, nếu vi phạm điều kiện quan hệ của heap, thì đổi chỗ ai với phần tử liên đới thích hợp của nó. Lưu ý việc đổi chỗ này có thể gây phản ứng dây chuyền:
void Shift (int a[ ], int l, int r ) { int x,i,j; i = l; j =2*i; // (ai , aj ), (ai , aj+1) là các phần tử liên đới x = a[i]; while ((j
} } Ðánh giá giải thuật • Việc đánh giá giải thuật Heapsort rất phức tạp, nhưng đã chứng minh được trong trường hợp xấu nhất độ phức tạp là O(nlog2n) 4.2.6. Sắp thứ tự bằng phương pháp nhanh Ðể sắp xếp dãy a1, a2, ..., an giải thuật QuickSort dựa trên việc phân hoạch dãy ban đầu thành hai phần : Dãy con 1: Gồm các phần tử a1.. ai có giá trị không lớn hơn x Dãy con 2: Gồm các phần tử ai .. an có giá trị không nhỏ hơn x với x là giá trị của một phần tử tùy ý trong dãy ban đầu. Sau khi thực hiện phân hoạch, dãy ban đầu được phân thành 3 phần: 1. ak < x , với k = 1..i 2. ak = x , với k = i..j 3. ak > x , với k = j..N trong đó dãy con thứ 2 đã có thứ tự, nếu các dãy con 1 và 3 chỉ có 1 phần tử thì chúng cũng đã có thứ tự, khi đó dãy ban đầu đã được sắp. Ngược lại, nếu các dãy con 1 và 3 có nhiều hơn 1 phần tử thì dãy ban đầu chỉ có thứ tự khi các dãy con 1, 3 được sắp. Ðể sắp xếp dãy con 1 và 3, ta lần lượt tiến hành việc phân hoạch từng dãy con theo cùng phương pháp phân hoạch dãy ban đầu vừa trình bày . Giải thuật phân hoạch dãy al, al+1, ., ar thành 2 dãy con: Bước 1 : Chọn tùy ý một phần tử a[k] trong dãy là giá trị mốc, l ? k ? r: • x = a[k]; i = l; j = r; Bước 2 : Phát hiện và hiệu chỉnh cặp phần tử a[i], a[j] nằm sai chỗ : • • Bước 2a : Trong khi (a[i]x) j--; • Bước 2c : Nếu i< j // a[i] ? x ? a[j] mà a[j] đứng sau a[i] Hoán vị (a[i],a[j]); Bước 3 : • Nếu i < j: Lặp lại Bước 2.//chưa xét hết mảng
Nếu i ? j: Dừng NHẬN XÉT - Về nguyên tắc, có thể chọn giá trị mốc x là một phần tử tùy ý trong dãy, nhưng để đơn giản, dễ diễn đạt giải thuật, phần tử có vị trí giữa thường được chọn, khi đó k = (l +r)/ 2? - Giá trị mốc x được chọn sẽ có tác động đến hiệu quả thực hiện thuật toán vì nó quyết định số lần phân hoạch. Số lần phân hoạch sẽ ít nhất nếu ta chon được x là phần tử median của dãy. Tuy nhiên do chi phí xác định phần tử median quá cao nên trong thực tế người ta không chọn phần tử này mà chọn phần tử nằm chính giữa dãy làm mốc với hy vọng nó có thể gần với giá trị median Giải thuật phân hoạch dãy sắp xếp dãy al, al+1, ., ar: • Có thể phát biểu giải thuật sắp xếp QuickSort một cách đệ qui như sau : Bước 1 : Phân hoạch dãy al . ar thành các dãy con : • - Dãy con 1 : al.. aj ? x - Dãy con 2 : aj+1.. ai-1 = x - Dãy con 1 : ai.. ar ? x Bước 2 : • Nếu ( l < j ) // dãy con 1 có nhiều hơn 1 phần tử Phân hoạch dãy al.. aj Nếu ( i < r ) // dãy con 3 có nhiều hơn 1 phần tử Phân hoạch dãy ai.. ar Ví dụ • Cho dãy số a: 12 2 8 5 1 6 4 15 Phân hoạch đoạn l =1, r = 8: x = A[4] = 5 Phân hoạch đoạn l =1, r = 3:
x = A[2] = 2 Phân hoạch đoạn l = 5, r = 8: x = A[6] = 6 Phân hoạch đoạn l = 7, r = 8: x = A[7] = 6 Dừng. Cài đặt • Thuật toán QuickSort có thể được cài đặt đệ qui như sau : void QuickSort(int a[], int l, int r) { int i,j; int x; x = a[(l+r)/2]; // chọn phần tử giữa làm giá trị mốc i =l; j = r; do { while(a[i] < x) i++; while(a[j] > x) j--; if(i
Hoanvi(a[i],a[j]); i++ ; j--; } }while(i < j); if(l < j) QuickSort(a,l,j); if(i < r) QuickSort(a,i,r); } Ðánh giá giải thuật • Hiệu qủa thực hiện của giải thuật QuickSort phụ thuộc vào việc chọn giá trị mốc. Trường hợp tốt nhất xảy ra nếu mỗi lần phân hoạch đều chọn được phần tử median (phần tử lớn hơn (hay bằng) nửa số phần tử, và nhỏ hơn (hay bằng) nửa số phần tử còn lại) làm mốc, khi đó dãy được phân chia thành 2 phần bằng nhau và cần log2(n) lần phân hoạch thì sắp xếp xong. Nhưng nếu mỗi lần phân hoạch lại chọn nhằm phần tử có giá trị cực đại (hay cực tiểu) là mốc, dãy sẽ bị phân chia thành 2 phần không đều: một phần chỉ có 1 phần tử, phần còn lại gồm (n-1) phần tử, do vậy cần phân hoạch n lần mới sắp xếp xong. Ta có bảng tổng kết Trường hợp Ðộ phức tạp Tốt nhất n*log(n) Trung bình n*log(n) n2 Xấu nhất 4.3. Sắp thứ tự ngoại Sắp thứ tự ngoại là sắp thứ tự trên tập tin. Khác với sắp xếp dãy trên bộ nhớ có số lượng phần tử nhỏ và truy xuất nhanh, tập tin có thể có số lượng phần tử rất lớn và thời gian truy xuất chậm. Do vậy việc sắp xếp trên các cấu trúc dữ liệu loại tập tin đòi hỏi phải áp dụng các phương pháp đặc biệt. Chương này sẽ giới thiệu một số phương pháp như sau: • Phương pháp trộn RUN • Phương pháp trộn tự nhiên 4.3.1. Phương pháp trộn RUN