Python 霍尔分区算法(Hoare‘s Partition Algorithm)

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[【方法】------霍尔数组划分算法------时间复杂度为 O(n),空间复杂度为 O(1)](#【方法】——霍尔数组划分算法——时间复杂度为 O(n),空间复杂度为 O(1))

一些有趣的事实


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给定一个数组arr\[\],任务是以第一个元素为枢轴元素对数组进行分区。

数组的划分必须满足以下两个条件:

小于枢轴元素的元素必须出现在小于或等于分区索引的索引处。

大于或等于枢轴元素的元素必须出现在大于分区索引的索引处。

分区索引等于元素个数,严格小于枢轴元素个数减一。

**注意:**可能存在多个分区数组。

例如:

输入: arr\[\] = 5, 3, 8, 4, 2, 7, 1, 10

输出: 1, 3, 2, 4 , 8, 7, 5, 10

**说明:**分区索引为 3,枢轴元素为 5,所有小于枢轴元素的元素 1, 3, 2, 4 排列在分区索引之前,大于或等于枢轴元素的元素 8, 7, 5, 10 排列在分区索引之后。

输入: arr\[\] = 12, 10, 9, 16, 19, 9

输出: 9, 10, 9 , 16, 19, 12

**说明:**分区索引为 2,枢轴元素为 12,所有小于枢轴元素 9, 10, 9 的元素都排列在分区索引之前或处,大于或等于枢轴元素 16, 19, 12 的元素都排列在分区索引之后。

【方法】------霍尔数组划分算法------时间复杂度为 O(n),空间复杂度为 O(1)

霍尔分区算法 是一种围绕枢轴元素对数组进行高效分区的方法。它基于两个指针,这两个指针分别从数组的两端出发,并向彼此移动,直到找到需要交换的元素。

算法步骤详解:

  • 将第一个元素作为枢轴,并初始化两个指针,分别指向数组的开头和结尾。i j
  • 向右移动,直到找到大于或等于枢轴的元素;向左移动,直到找到小于或等于枢轴的元素。i j
  • 如果指针指向的元素大于或等于枢轴元素,并且指针指向的元素小于或等于枢轴元素,则交换这两个元素。i j
  • 重复此过程,彼此移动并靠近,直到相遇或交叉。i j
  • 当指针交叉时,分区完成,小于或等于枢轴的元素在左侧,大于或等于枢轴的元素在右侧。

示例代码:

Function to partition the array according to pivot index element

def partition(arr):

n = len(arr)

pivot = arr0

i = -1

j = n

while True:

find next element larger than pivot from the left

while True:

i += 1

if arri >= pivot:

break

find next element smaller than pivot from the right

while True:

j -= 1

if arrj <= pivot:

break

if left and right crosses each other no swapping required

if i > j:

break

swap larger and smaller elements

arri, arrj = arrj, arri

if name == "main":

arr = 5, 3, 8, 4, 2, 7, 1, 10

partition(arr)

for num in arr:

print(num, end=' ')

输出

1 3 2 4 8 7 5 10

一些有趣的事实

霍尔分区算法通常比洛穆托分区算法更快,因为它执行的交换次数更少,并且只对数组进行一次遍历,从而在实践中实现了更好的时间复杂度。

它直接在原地工作,不需要额外的空间,这与使用临时数组的简单分区方法不同。

经过适当的调整,它可以用来实现快速排序的稳定版本,尽管它本身并不稳定。

我们可以通过交换第一个元素和最后一个元素,然后使用相同的代码,轻松地修改算法,将第一个元素(或任何其他元素)视为枢轴。

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