Leetcode: 215. 数组中的第 k 个最大元素

题目

在未排序的数组中找到第 k 个最大的元素。请注意,你需要找的是数组排序后的第 k 个最大的元素,而不是第 k 个不同的元素。


示例 1:

输入: [3,2,1,5,6,4] 和 k = 2
输出: 5


示例 2:

输入: [3,2,3,1,2,4,5,5,6] 和 k = 4
输出: 4

你可以假设 k 总是有效的,且 1 ≤ k ≤ 数组的长度。

分析

该题目利用三路快速排序中的 partition 函数进行快速选择。

首先看一下 partition 函数

private int partition(int[] a, int lo, int hi) {
    int lt = lo, gt = hi;
    int v = a[lo];
    int i = lo;
    while (i <= gt) {
        if (a[i] < v) exch(a, lt++, i++);
        else if (a[i] > v) exch(a, i, gt--);
        else i++;
    }
    return lt;
}

引入变量 lt, i, gt,定义循环不变量:

  •  [lo, lt) 中的数都 < V.
  • [lt, i) 中的数都 = V.
  • [i, gt] 是未知区域.
  • (gt, hi] 中的数都 > V.

接下来看一下 findKthLargest 函数:

public int findKthLargest(int[] nums, int k) {
    shuffle(nums);
    int lo = 0, hi = nums.length - 1, target = nums.length - k;
    while (lo < hi) {
        int j = partition(nums, lo, hi);
        if (j == target) return nums[j];
        else if (j > target) hi = j - 1;
        else lo = j + 1;
    }
    return nums[target];
}

首先进行 shuffle,也就是将数组中元素的顺序打乱。

这一步必须要进行。比如: [1, 2, 3, 4, 5], 或者 [5, 4, 3, 2, 1] 这种序列,会造成算法时间复杂度为 O(n^2)。

后面的循环,就是不断利用 partition 函数选取 pivot,不断调整 lo 和 hi,直到找到期望的下标。

代码

class Solution {
    public int findKthLargest(int[] nums, int k) {
        shuffle(nums);
        int lo = 0, hi = nums.length - 1, target = nums.length - k;
        while (lo < hi) {
            int j = partition(nums, lo, hi);
            if (j == target) return nums[j];
            else if (j > target) hi = j - 1;
            else lo = j + 1;
        }
        return nums[target];
    }
    private int partition(int[] a, int lo, int hi) {
        int lt = lo, gt = hi;
        int v = a[lo];
        int i = lo;
        while (i <= gt) {
            if (a[i] < v) exch(a, lt++, i++);
            else if (a[i] > v) exch(a, i, gt--);
            else i++;
        }
        return lt;
    }
    private void exch(int[] a, int i, int j) {
        int tmp = a[i];
        a[i] = a[j];
        a[j] = tmp;
    }
    private void shuffle(int[] a) {
        Random r = new Random();
        for (int i = 0; i < a.length; i++) {
            int x = r.nextInt(i + 1);
            exch(a, 0, x);
        }
    }
}

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