Сортировка вставками — различия между версиями

Материал из Викиконспекты
Перейти к: навигация, поиск
(исправлена опечатка "на на" -> "на")
 
(не показано 9 промежуточных версий 2 участников)
Строка 1: Строка 1:
'''Сортировка вставками''' (англ. ''Insertion sort'') — квадратичный алгоритм сортировки.
+
'''Сортировка вставками''' (англ. ''Insertion sort'') — квадратичный алгоритм [[Сортировка|сортировки]].
  
 
==Алгоритм==
 
==Алгоритм==
Строка 75: Строка 75:
 
== Оптимизации ==
 
== Оптимизации ==
 
=== Бинарные вставки ===
 
=== Бинарные вставки ===
Теперь вместо линейного поиска позиции мы будем использовать [[Целочисленный двоичный поиск | бинарный поиск]], следовательно количество сравнений изменится с <tex>O(N^2)</tex> до <tex> O(N\log N) </tex>. Количество сравнений заметно уменьшилось, но для того, чтобы поставить элемент на на своё место, всё ещё необходимо переместить большое количество элементов. В итоге время выполнения алгоритма в асимптотически не уменьшилось. Бинарные вставки выгодно использовать только в случае когда сравнение занимает много времени по сравнению со сдвигом. Например когда мы используем массив длинных чисел.  
+
Теперь вместо линейного поиска позиции мы будем использовать [[Целочисленный двоичный поиск | бинарный поиск]], следовательно количество сравнений изменится с <tex>O(N^2)</tex> до <tex> O(N\log N) </tex>. Количество сравнений заметно уменьшилось, но для того, чтобы поставить элемент на своё место, всё ещё необходимо переместить большое количество элементов. В итоге время выполнения алгоритма в асимптотически не уменьшилось. Бинарные вставки выгодно использовать только в случае когда сравнение занимает много времени по сравнению со сдвигом. Например когда мы используем массив длинных чисел.  
 
  '''function''' insertionSort(a):
 
  '''function''' insertionSort(a):
 
   '''for''' i = 1 '''to''' n - 1
 
   '''for''' i = 1 '''to''' n - 1
Строка 91: Строка 91:
 
!style="background-color:#EEE"| Описание шага
 
!style="background-color:#EEE"| Описание шага
 
|-
 
|-
|colspan=3|''Первый проход (проталкиваем второй элемент — '''''5''''')''
+
|colspan=3|''Первый проход (проталкиваем первый элемент — '''''5''''')''
 
|-
 
|-
 
|style="background-color:#FFF;padding:2px 10px"|  
 
|style="background-color:#FFF;padding:2px 10px"|  
 
|style="background-color:#FFF;padding:2px 30px"| '''5'''
 
|style="background-color:#FFF;padding:2px 30px"| '''5'''
|style="background-color:#FFF;padding:2px 10px"| Так как в поле вывода нет элементов то мы просто добавляем элемент туда.
+
|style="background-color:#FFF;padding:2px 10px"| Так как в поле вывода нет элементов, то мы просто добавляем элемент туда.
 
|-
 
|-
|colspan=3|''Второй проход (проталкиваем третий элемент — '''''7''''')''
+
|colspan=3|''Второй проход (проталкиваем второй элемент — '''''7''''')''
 
|-
 
|-
 
|style="background-color:#FFF;padding:2px 30px"| 5  
 
|style="background-color:#FFF;padding:2px 30px"| 5  
 
|style="background-color:#FFF;padding:2px 30px"| 5 '''7'''
 
|style="background-color:#FFF;padding:2px 30px"| 5 '''7'''
|style="background-color:#FFF;padding:2px 10px"| С помощью Бинарного поиска находим позицию и так как позиция крайняя то сдвигать ничего не приходится.
+
|style="background-color:#FFF;padding:2px 10px"| С помощью Бинарного поиска находим позицию и, так как позиция крайняя, то сдвигать ничего не приходится.
 
|-   
 
|-   
|colspan=3|''Третий проход (проталкиваем четвертый — '''''3''''')''
+
|colspan=3|''Третий проход (проталкиваем третий — '''''3''''')''
 
|-
 
|-
 
|style="background-color:#FFF;padding:2px 30px"| 5 7
 
|style="background-color:#FFF;padding:2px 30px"| 5 7
 
|style="background-color:#FFF;padding:2px 20px"| '''3''' 5 7
 
|style="background-color:#FFF;padding:2px 20px"| '''3''' 5 7
|style="background-color:#FFF;padding:2px 10px"| С помощью Бинарного поиска находим позицию и так как позиция крайняя то сдвигать ничего не приходится.
+
|style="background-color:#FFF;padding:2px 10px"| С помощью Бинарного поиска находим позицию и, так как позиция крайняя, то сдвигать ничего не приходится.
 
|-
 
|-
|colspan=3|''Четвертый проход (проталкиваем пятый элемент — '''''4''''')''
+
|colspan=3|''Четвертый проход (проталкиваем четвертый элемент — '''''4''''')''
 
|-
 
|-
 
|style="background-color:#FFF;padding:2px 20px"| 3 5 7
 
|style="background-color:#FFF;padding:2px 20px"| 3 5 7
 
|style="background-color:#FFF;padding:2px 10px"| 3 '''4''' 5 7
 
|style="background-color:#FFF;padding:2px 10px"| 3 '''4''' 5 7
|style="background-color:#FFF;padding:2px 10px"| С помощью Бинарного поиска находим позицию. Расстояние до левого края зоны вывода меньше ем до правого то сдвигаем левую часть.
+
|style="background-color:#FFF;padding:2px 10px"| С помощью Бинарного поиска находим позицию. Расстояние до левого края зоны вывода меньше, чем до правого, значит сдвигаем левую часть.
 
|-
 
|-
 
|colspan=3|''Четвертый проход (проталкиваем пятый элемент — '''''6''''')''
 
|colspan=3|''Четвертый проход (проталкиваем пятый элемент — '''''6''''')''
Строка 131: Строка 131:
 
* [[Сортировка подсчетом]]
 
* [[Сортировка подсчетом]]
 
* [[Сортировка Шелла]]
 
* [[Сортировка Шелла]]
== Источники ==
+
== Источники информации==
* [[wikipedia:ru:Сортировка вставками|Сортировка вставками {{---}} Википедия]]
+
* [http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D1%80%D1%82%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BA%D0%B0_%D0%B2%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%B2%D0%BA%D0%B0%D0%BC%D0%B8 Сортировка вставками]
* Н. Вирт «Алгоритмы и структуры данных», часть 2.2.1 "Сортировка с помощью прямого включения"
+
* Н. Вирт '''Алгоритмы и структуры данных''' {{---}} Невский Диалект, 2008. {{---}} 352 с. {{---}} ISBN 978-5-7940-0065-8
== Дополнительные материалы ==
 
 
* [http://rain.ifmo.ru/cat/view.php/vis/sorts/quadratic-2010 Визуализатор квадратичных алгоритмов]
 
* [http://rain.ifmo.ru/cat/view.php/vis/sorts/quadratic-2010 Визуализатор квадратичных алгоритмов]
 
* [http://rain.ifmo.ru/cat/data/theory/school/ses-VectSort-03/pres.pdf Презентация «Сортировка вектора - 3. Insertion Sort»]
 
* [http://rain.ifmo.ru/cat/data/theory/school/ses-VectSort-03/pres.pdf Презентация «Сортировка вектора - 3. Insertion Sort»]
 
[[Категория: Дискретная математика и алгоритмы]]
 
[[Категория: Дискретная математика и алгоритмы]]
 
[[Категория: Сортировки]]
 
[[Категория: Сортировки]]
 +
[[Категория: Квадратичные сортировки]]

Текущая версия на 17:43, 9 февраля 2020

Сортировка вставками (англ. Insertion sort) — квадратичный алгоритм сортировки.

Алгоритм[править]

Задача заключается в следующем: есть часть массива, которая уже отсортирована, и требуется вставить остальные элементы массива в отсортированную часть, сохранив при этом упорядоченность. Для этого на каждом шаге алгоритма мы выбираем один из элементов входных данных и вставляем его на нужную позицию в уже отсортированной части массива, до тех пор пока весь набор входных данных не будет отсортирован. Метод выбора очередного элемента из исходного массива произволен, однако обычно (и с целью получения устойчивого алгоритма сортировки), элементы вставляются по порядку их появления во входном массиве.

Так как в процессе работы алгоритма могут меняться местами только соседние элементы, каждый обмен уменьшает число инверсий на единицу. Следовательно, количество обменов равно количеству инверсий в исходном массиве вне зависимости от реализации сортировки. Максимальное количество инверсий содержится в массиве, элементы которого отсортированы по невозрастанию. Число инверсий в таком массиве [math]\displaystyle \frac {n(n - 1)} {2}[/math].

Алгоритм работает за [math]O(n + k)[/math], где [math]k[/math] — число обменов элементов входного массива, равное числу инверсий. В среднем и в худшем случае — за [math]O(n^2)[/math]. Минимальные оценки встречаются в случае уже упорядоченной исходной последовательности элементов, наихудшие — когда они расположены в обратном порядке.

Псевдокод[править]

function insertionSort(a):
  for i = 1 to n - 1
    j = i - 1
    while j [math]  \geqslant [/math] 0 and a[j] > a[j + 1] 
      swap(a[j], a[j + 1])
      j--

Пример работы[править]

Пример работы алгоритма для массива [math][ 5, 2, 4, 3, 1 ][/math]

До После Описание шага
Первый проход (проталкиваем второй элемент — 2)
5 2 4 3 1 2 5 4 3 1 Алгоритм сравнивает второй элемент с первым и меняет их местами.
Второй проход (проталкиваем третий элемент — 4)
2 5 4 3 1 2 4 5 3 1 Сравнивает третий со вторым и меняет местами
2 4 5 3 1 2 4 5 3 1 Второй и первый отсортированы, swap не требуется
Третий проход (проталкиваем четвертый — 3)
2 4 5 3 1 2 4 3 5 1 Меняет четвертый и третий местами
2 4 3 5 1 2 3 4 5 1 Меняет третий и второй местами
2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 Второй и первый отсортированы, swap не требуется
Четвертый проход (проталкиваем пятый элемент — 1)
2 3 4 5 1 2 3 4 1 5 Меняет пятый и четвертый местами
2 3 4 1 5 2 3 1 4 5 Меняет четвертый и третий местами
2 3 1 4 5 2 1 3 4 5 Меняет третий и второй местами
2 1 3 4 5 1 2 3 4 5 Меняет второй и первый местами. Массив отсортирован.

Оптимизации[править]

Бинарные вставки[править]

Теперь вместо линейного поиска позиции мы будем использовать бинарный поиск, следовательно количество сравнений изменится с [math]O(N^2)[/math] до [math] O(N\log N) [/math]. Количество сравнений заметно уменьшилось, но для того, чтобы поставить элемент на своё место, всё ещё необходимо переместить большое количество элементов. В итоге время выполнения алгоритма в асимптотически не уменьшилось. Бинарные вставки выгодно использовать только в случае когда сравнение занимает много времени по сравнению со сдвигом. Например когда мы используем массив длинных чисел.

function insertionSort(a):
  for i = 1 to n - 1
    j = i - 1
    k = binSearch(a, a[i], 0, j)
    for m = j downto k
      swap(a[m], a[m+1])

Двухпутевые вставки[править]

Суть этого метода в том, что вместо отсортированной части массива мы используем область вывода. Первый элемент помещается в середину области вывода, а место для последующих элементов освобождается путём сдвига элементов влево или вправо туда, куда выгоднее. Пример для набора элементов [math][ 5, 7, 3, 4, 6 ][/math]

До После Описание шага
Первый проход (проталкиваем первый элемент — 5)
5 Так как в поле вывода нет элементов, то мы просто добавляем элемент туда.
Второй проход (проталкиваем второй элемент — 7)
5 5 7 С помощью Бинарного поиска находим позицию и, так как позиция крайняя, то сдвигать ничего не приходится.
Третий проход (проталкиваем третий — 3)
5 7 3 5 7 С помощью Бинарного поиска находим позицию и, так как позиция крайняя, то сдвигать ничего не приходится.
Четвертый проход (проталкиваем четвертый элемент — 4)
3 5 7 3 4 5 7 С помощью Бинарного поиска находим позицию. Расстояние до левого края зоны вывода меньше, чем до правого, значит сдвигаем левую часть.
Четвертый проход (проталкиваем пятый элемент — 6)
3 4 5 7 3 4 5 6 7 Расстояние до правого края меньше чем до левого, следовательно двигаем правую часть.

Как можно заметить структура поля вывода имеет сходство с деком, а именно мы выбираем край к которому ближе наш элемент, затем добавляем с этой стороны наш элемент и двигаем его. Как мы видим в этом примере понадобилось сдвинуть всего [math]3[/math] элемента. Благодаря тому что для вставки [math]j[/math]-ого элемента потребуется [math]j/2[/math] сдвигов в худшем случае вместо [math]j[/math], то и итоговое число необходимых операций в худшем случае составит [math]N^2 / 4 + N \log N[/math].

См. также[править]

Источники информации[править]