Sorting in Linear Time.

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1 Sorting in Linear Time

2 7.1 Lower bounds for sorting
本節探討排序所耗用的時間複雜度下限。 任何一個以比較為基礎排序的演算法，排序n個元素時至少耗用Ω(nlogn)次比較。 是以時間複雜度至少為Ω(nlogn)。 但不使用比較為基礎 的排序演算法，在某些情形下可在O(n)的時間內執行完畢。 Sorting in Linear Time

3 Decision-Tree Model 一個以比較為基礎的排序演算法可以按照比較的順序建出一個Decision-Tree。
每一個從Root到Leaf的路徑都代表一種排序的結果。 任何一個以比較為基礎排序n個元素的演算法，所對應的Decision-Tree高度至少有Ω(nlogn)。 Sorting in Linear Time

4 Decision-Tree Model a1:a2 >  a1:a3 a2:a3 >  > 
Eg. (a1 a2 a3) (9 2 6) a1:a2 >  a1:a3 a2:a3 >  >  <1,2,3> a1:a3 <2,1,3> a2:a3  >  > <1,3,2> <3,1,2> <2,3,1> <3,2,1> 按照比較的順序跟結果，可以建造出一個Decision-Tree。 Root是最先比較的，按照比較的結果不同， 接下來會選擇比較的對象也不見得相同。 此範例圖為一個3元素的Decision-Tree。 Internal nodes是代表比較的對象， 一開始先比較a1跟a2，如結果是a1>a2則緊接比較a1跟a3， 反之則比較a2跟a3。其餘類推。Leaf則為排序演算法的結果。 如果(a1 a2 a3)為(9 2 6)時，則對應的Leaf為<2,3,1>。 Sorting in Linear Time

5 Decision-Tree Model 證明：因為可能有n!種可能的排序結果，故對應的Decision tree至少有n!個leaf nodes。而高度為h的二元樹最多有2h個leaf nodes。 因此h  log2(n!)  Θ(nlogn)。(後者由Stirling’s approximation得證：n!>(n/e)n) Heapsort與Mergesort是asymptotically optimal之比較排序法。 Quicksort一般而言並不是Asymptotically optimal。 但其執行效率平均而言較Heapsort還有Mergesort還好。 故Asymptotically optimal僅是理論分析上的最佳。 Sorting in Linear Time

6 7.2 Counting Sort Counting Sort (記數排序法) 不需要藉由比較來做排序。
必須依賴一些對於待排序集合中元素性質的假設。(如：所有待排序元素均為整數，介於1到k之間) 時間複雜度：O(n+k) 主要的關鍵在於，統計1到k之間每個數值出現過幾次，然後想辦法將排序好的數列輸出。 將k視為常數時，此是一個線性時間的排序演算法。 Sorting in Linear Time

7 Input: A[1..n], where A[j]∈{1,2,…,k} Output:B[1..n], sorted
CountingSort(A,B,k) { for i = 0 to k do C[i]0 for j = 1 to length[A] do C[A[j]]C[A[j]]+1 for i = 1 to k do C[i]C[i]+C[i-1] for j = length[A] downto 1 do B[C[A[j]]]A[j] C[A[j]]C[A[j]]-1 } 第一個迴圈將C[0..k]初始化為全0陣列。 第二個迴圈將C[j]變成j在A裡面出現的次數。 第三個迴圈將C[j]變成1..j在A裡面出現的次數。 第四個迴圈作輸出的動作。 詳細的例子請參考下一頁。 Sorting in Linear Time

8 k=6 1 2 3 4 5 6 7 8 A: 3 6 4 1 3 4 1 4 1 2 3 4 5 6 2nd loop C: 2 2 3 1 1 2 3 4 5 6 3rd loop 2 2 4 7 7 8 Sorting in Linear Time

9 4th loop 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 1st iteration B: C: 4 2 2 4 6 7 8
2nd iteration B: C: 1 4 1 2 4 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 3rd iteration B: C: 1 4 4 1 2 4 5 7 8 …… 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 8th iteration B: C: 1 1 3 3 4 4 4 6 2 2 4 7 7 Sorting in Linear Time

10 7.3 Radix Sort Radix Sort(基數排序法)無需利用元素間的比較排序。
Sorting in Linear Time

11 Radix Sort 關鍵想法：利用記數排序法由低位數排到高位數。 最後排百位數 先排個位數 再排十位數 329 457 657 839
436 720 355 720 355 436 457 657 329 839 720 329 436 839 355 457 657 329 355 436 457 657 720 839 最後排百位數 先排個位數 再排十位數 Sorting in Linear Time

12 此處使用的stable sort如果使用Counting Sort則每個Iteration只需花Θ(n+10)的時間。
Radix-Sort(A,d) { for i = 1 to d do use stable sort to sort A on digit i } 此處使用的stable sort如果使用Counting Sort則每個Iteration只需花Θ(n+10)的時間。 因此總共花費O(d(n+10))的時間。 如果d是常數，則Radix Sort為一個可以在Linear time完成的排序演算法。 所謂的Stable sort是指Sorting過之後，如果ai跟aj數值(or key)相同， 則排序後此兩個數值的前後次序並不會被改變。 Quicksort，Heapsort均不是Stable sort。 在前面所舉的Counting-sort經過一些修改可以作為合適使用的Stable sort。 Sorting in Linear Time

13 7.4 Bucket Sort 當元素均勻分布在某個區間時，Bucket sort平均能在O(n)的時間完成排序。
假定要排序n個元素A[1..n]均是介於[0,1]之間的數值。 準備n個籃子(bucket)，B[1..n]，將元素x依照x所在的區間放進對應的籃子：即第 個籃子 。 Sorting in Linear Time

14 Bucket Sort 元素放進籃子時，使用Linked list來儲存，並利用插入排序法排序。
只要依序將Lined list串接起來，即得到已排序的n個元素。 Sorting in Linear Time

15 紅色虛線串起的即是最後排序好的List A B 1 .76 1 .05 .07 2 .07 2 3 .36 3 .22 .25 .29 4
.74 5 6 .95 6 7 .22 7 .66 8 .05 8 .74 .76 9 .25 9 10 .66 10 .95 紅色虛線串起的即是最後排序好的List Sorting in Linear Time

16 時間複雜度分析 假定分到第i個籃子的元素個數是ni。 最差情形：T(n) =O(n) + =O(n2).
平均情形：T(n) = O(n) = O(n) = O(n) 的証明請參考課本 Sorting in Linear Time