Алгоритмы сортировки массивов. Алгоритмы построения эйлерова и гамильтонова циклов на графах.

Сортировка данных - процесс изменения порядка расположения элементов в некоторых упорядоченных структурах данных таким образом, чтобы обеспечить возрастание или убывание числового значения элемента данных или определенного числового параметра, связанного с каждым элементом данных (ключа), при переходе от предыдущего элемента к последующему. То есть для любой пары чисел определены отношения "больше" или "меньше". Постановка задачи сортировки данных для внутренней сортировки одномерного числового массива по возрастанию.

Имеется одномерный массив чисел, состоящий из n элементов: X[n]. Переставить элементы массива так, чтобы их значения располагались в порядке возрастания. Другими словами, для любой пары элементов X[i] и X[i+1] выполняется неравенство вида: X[i] <= X[i+1].

При разработке программы можно воспользоваться различными алгоритмами.

Главным показателем качества алгоритма внутренней сортировки является скорость сортировки.

Метод "пузырька". Суть алгоритма состоит в последовательном просмотре массива от конца к началу или от начала к концу и сравнении каждой пары элементов между собой. При этом "неправильное" расположение элементов устраняется путем их перестановки. Процесс просмотра и сравнения элементов повторяется до просмотра всего массива. При сортировке по возрастанию "легкие" элементы с меньшим значением как бы "всплывают" к началу массива. "Пузырьковая" сортировка имеет очень плохие временные характеристики. Она имеет только учебно-исторический интерес и не может быть рекомендована для практического использования. Для метода простой обменной сортировки требуется число сравнений n(n-1)/2, минимальное число пересылок 0, а среднее и максимальное число пересылок - .

Метод сортировки вставками заключается в переборе всех элементов массива от первого до последнего и вставке каждого очередного элемента на место среди предшествующих ему элементов, упорядоченных ранее таким же способом. Поскольку процесс начинается с самого первого элемента, то последовательность упорядоченных элементов постепенно растет до тех пор, пока самый последний элемент не встанет на "свое" место. Освобождение места для вставки элемента осуществляется путем соответствующего сдвига группы элементов.

В отличие от других методов, сортировка вставками не использует обмены. Наилучший случай – когда исходный список уже отсортирован. Тогда общее число сравнений равно n-1, т.е. сложность составляет . Наихудший случай возникает, когда список отсортирован по убыванию. Общее число сравнений равно n(n-1)/2, т.е. сложность составляет .

Алгоритм сортировки выбором элемента. При сортировке массива a[1], a[2], ..., a[n] методом простого выбора среди всех элементов находится элемент с наименьшим значением a[i], и a[1] и a[i] обмениваются значениями. Затем этот процесс повторяется для получаемых подмассивов a[2], a[3], ..., a[n], ... a[j], a[j+1], ..., a[n] до тех пор, пока мы не дойдем до подмассива a[n], содержащего к этому моменту наибольшее значение. По сравнению с алгоритмами вставки и "пузырька" он в большинстве случаев может оказаться более быстрым. Для метода сортировки простым выбором требуемое число сравнений - n(n-1)/2. На массиве из n элементов имеет время выполнения в худшем, среднем и лучшем случае .

Метод "быстрой" сортировки(Quicksort). Основная идея алгоритма, предложенного К.Хоором, состоит в том, что случайным образом выбирается некоторый элемент массива x, после чего массив просматривается слева, пока не встретится элемент a[i] такой, что a[i] > x, а затем массив просматривается справа, пока не встретится элемент a[j] такой, что a[j] < x. Эти два элемента меняются местами, и процесс просмотра, сравнения и обмена продолжается, пока мы не дойдем до элемента x. В результате массив окажется разбитым на две части - левую, в которой значения ключей будут меньше x, и правую со значениями ключей, большими x. Далее процесс рекурсивно продолжается для левой и правой частей массива до тех пор, пока каждая часть не будет содержать в точности один элемент. Алгоритм недаром называется быстрой сортировкой, поскольку для него оценкой числа сравнений и обменов является .

Алгоритм пирамидальной сортировки (Heapsort). Его идея состоит в том, что исходный массив a[1], a[2], ..., a[n] преобразуется в пирамиду, обладающую тем свойством, что для каждого a[i] выполняются условия a[i] <= a[2i] и a[i] <= a[2i+1]. Затем пирамида используется для сортировки.

Массив представляется в виде двоичного дерева, корень которого соответствует элементу массива a[1]. На втором ярусе находятся элементы a[2] и a[3]. На третьем - a[4], a[5], a[6], a[7] и т.д. Для массива с нечетным количеством элементов соответствующее дерево будет сбалансированным, а для массива с четным количеством элементов n элемент a[n] будет единственным (самым левым) листом "почти" сбалансированного дерева. При построении пирамиды нас будут интересовать элементы a[n/2], a[n/2-1], ..., a[1] для массивов с четным числом элементов и элементы a[(n-1)/2], a[(n-1)/2-1], ..., a[1] для массивов с нечетным числом элементов. Пусть i - наибольший индекс из числа индексов элементов, для которых существенны ограничения пирамиды. Тогда берется элемент a[i] в построенном дереве и для него выполняется процедура просеивания, состоящая в том, что выбирается ветвь дерева, соответствующая min(a[2i], a[2i+1]), и значение a[i] меняется местами со значением соответствующего элемента. Если этот элемент не является листом дерева, для него выполняется аналогичная процедура и т.д. Такие действия выполняются последовательно для a[i], a[i-1], ..., a[1]. В результате мы получим древовидное представление пирамиды для исходного массива.

Суть алгоритма заключается в следующем. Пусть i - наибольший индекс массива, для которого существенны условия пирамиды. Тогда начиная с a[1] до a[i] выполняются следующие действия. На каждом шаге выбирается последний элемент пирамиды (в нашем случае первым будет выбран элемент a[8]). Его значение меняется со значением a[1], после чего для a[1] выполняется просеивание. При этом на каждом шаге число элементов в пирамиде уменьшается на 1 (после первого шага в качестве элементов пирамиды рассматриваются a[1], a[2], ..., a[n-1]; после второго - a[1], a[2], ..., a[n-2] и т.д., пока в пирамиде не останется один элемент). В результате мы получим массив, упорядоченный в порядке убывания. Можно модифицировать метод построения пирамиды и сортировки, чтобы получить упорядочение в порядке возрастания, если изменить условие пирамиды на a[i] >= a[2i] и a[1] >= a[2i+1] для всех осмысленных значений индекса i.

Алгоритм сортировки, работающий в худшем, в среднем и в лучшем случае (то есть гарантированно) за операций при сортировке n элементов.

Построение эйлерова цикла.

Эйлеровым циклом называется замкнутый маршрут, в котором каждое ребро графа встречается точно один раз. Алгоритм нахождения Эйлерова цикла в заданном графе при условии, что условия связности и четности степеней выполнены похож на алгоритм поиска в глубину: начиная с произвольно выбранной стартовой вершины a, строим путь, выбирая каждый раз для дальнейшего продвижения еще не пройденное ребро. Главное отличие от поиска в глубину состоит в том, что как пройденные помечаются ребра, а не вершины. Поэтому одна и та же вершина может посещаться несколько раз, но каждое ребро проходится не более одного раза, так что в полученном маршруте ребра не будут повторяться. Вершины пути накапливаются в стеке S. Через некоторое количество шагов неизбежно наступит тупик - все ребра, инцидентные активной (последней посещенной) вершине x, уже пройдены. Так как степени всех вершин графа четны, в этот момент x=a и пройденные ребра образуют цикл, но он может включать не все ребра графа. Для обнаружения еще не пройденных ребер возвращаемся по пройденному пути, перекладывая вершины из стека S в другой стек C, пока не встретим вершину x, которой инцидентно непройденное ребро. Так как граф связен, такая вершина обязательно встретится. Тогда возобновляем движение вперед по непройденным ребрам, пока не дойдем до нового тупика и т.д. Процесс заканчивается, когда в очередном тупике обнаруживается, что S пуст. В этот момент в стеке C находится последовательность вершин эйлерова цикла.