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  • STL测试3)优先级队列实现二叉堆

    用法:

    big_heap.empty();判断堆是否为空

    big_heap.pop();弹出栈顶元素最大值

    big_heap.push(x);将x添加到最大堆

    big_heap.top();返回栈顶元素;

    big_heap.size();返回堆中元素个数

    简单的应用

    #include<stdio.h>
    #include<queue>
    #include<vector>
    #include<functional>
    
    using namespace std;
    
    int main()
    {
    
    priority_queue <int> big_heap;//默认构造是最大堆
    priority_queue<int, vector<int>, greater<int> > small_heap;//最小堆
    priority_queue<int, vector<int>, less<int> > big_heap2;//最大堆
    if(big_heap.empty())
    {
        printf("big_heap is empty
    ");
    }
    int test[]={6,10,1,7,99,4,33};
    
    for(int i=0;i< 7;i++)
    {
    
        big_heap.push(test[i]);
        small_heap.push(test[i]);
        printf("input %d,big_heap top is %d ,small_heap top is%d
    ",test[i],big_heap.top(),small_heap.top());
    }
    big_heap.push(1000);
    small_heap.push(0);
    printf("now big_heap top is %d
    now small_heap top is %d
    ",big_heap.top(),small_heap.top());
    
    for(int i=0;i<3;i++)
    {
    
        big_heap.pop();
        small_heap.pop();
    }
    
    printf("now heap has %d num,the max is %d,the min is%d
    ",big_heap.size(),big_heap.top(),small_heap.top());
    return 0;
    }

    下面来一个简单的应用

    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
    说明:

    你可以假设 k 总是有效的,且 1 ≤ k ≤ 数组的长度。

    来源:力扣(LeetCode)
    链接:https://leetcode-cn.com/problems/kth-largest-element-in-an-array
    著作权归领扣网络所有。商业转载请联系官方授权,非商业转载请注明出处。

    思路:

    维护一个K大小的最小堆,如果堆中栈顶的元素<k,直接入堆;此外情况如果堆顶的元素小于新元素的时候,弹出堆顶,将新元素入堆。

    这样保证堆外的元素都是比堆顶小的,不然会把该元素和堆顶的元素置换,这样保证最后堆里存的是k个最大的元素,且堆顶是这k个元素里最小的。那么堆顶倒数第k小的就是第k大的了。

    代码写在下面。

    class Solution {
    public:
        int findKthLargest(vector<int>& nums, int k) {
        priority_queue<int, vector<int>, greater<int> > small_heap;
        for(int i=0;i<nums.size();i++)
        {
            if(i<k)
            {
                
                 small_heap.push(nums[i]);
            }
            else if( small_heap.top()<nums[i])
            {
                small_heap.pop();
                 small_heap.push(nums[i]);
            }
        }
        return  small_heap.top();
        }
    };

    下面是一个利用最大堆和最小堆求中位数的问题。

    中位数是有序列表中间的数。如果列表长度是偶数,中位数则是中间两个数的平均值。

    例如,

    [2,3,4] 的中位数是 3

    [2,3] 的中位数是 (2 + 3) / 2 = 2.5

    设计一个支持以下两种操作的数据结构:

    void addNum(int num) - 从数据流中添加一个整数到数据结构中。
    double findMedian() - 返回目前所有元素的中位数。
    示例:

    addNum(1)
    addNum(2)
    findMedian() -> 1.5
    addNum(3)
    findMedian() -> 2
    进阶:

    如果数据流中所有整数都在 0 到 100 范围内,你将如何优化你的算法?
    如果数据流中 99% 的整数都在 0 到 100 范围内,你将如何优化你的算法?

    来源:力扣(LeetCode)
    链接:https://leetcode-cn.com/problems/find-median-from-data-stream
    著作权归领扣网络所有。商业转载请联系官方授权,非商业转载请注明出处。

    思路就是设计一个最大堆和最小堆分别存储一般数据,并维持两个堆中最大堆的堆顶比最小堆小。这样如果两个堆大小相同,那么中位数就是两个堆顶的平均值,如果是堆大小不同,那么中位数就是size大的那个堆的堆顶。

    看到一个别人画的示意图,非常形象,这里搬过来方便以后理解。

    addNum 函数设计

      addNum() 函数在添加元素的过程中保持两个堆的动态平衡:

    Condition 1.保证两堆元素个数相差不超过 1
    Condition 2.保证大顶堆中的元素小于等于小顶堆中的任何元素

    case 1:

    • 如果两堆中的元素个数相同。这个时候无论插入哪一个堆,条件 1 都不会被破坏,因此考虑条件 2 ,将待插入元素与两堆的堆顶比较:若待插入元素为 5,显然这个时候若插入smaller会破坏条件 2,因此因插入bigger中。而若待插入为 9 则显然应插入 smaller 中。







    case 2:

    • 如果大顶堆元素个数小于小顶堆的元素个数。此时,将待插入元素与两堆堆顶比较:
    • 若小于等于Bigger.top则直接插入Bigger中;

    • 若大于smaller.top则为了保证条件1,需将smaller中的最小值(根)转存至Bigger中。


    case 3:

    • 如果大顶堆的元素个数大于小顶堆的元素个数。此时,将待插入元素与两堆堆顶比较:
    • 若其大于等于Smaller.top则直接插入Smaller中;

    • 若小于Bigger.top则为了保证条件1,需将Bigger中的最大元素值(根)转存至Smaller中。

    最后是实现以后的代码:

    class MedianFinder {
    public:
        priority_queue <int> big_queue;
        priority_queue<int, vector <int>, greater <int> > small_queue;
        /** initialize your data structure here. */
        MedianFinder() {
    
        }
    
        void addNum(int num) {
            if(big_queue.empty())
            {
                big_queue.push(num);
                return;
            }
            if(big_queue.size() == small_queue.size())
            {
                if(num < big_queue.top())
                {
                    big_queue.push(num);
                }
                else
                {
                    small_queue.push(num);
                }
            }
            else if(big_queue.size() > small_queue.size())
            {
                if(num > big_queue.top())
                {
                    small_queue.push(num);
                }
                else
                {
                    small_queue.push(big_queue.top());
                    big_queue.pop();
                    big_queue.push(num);
                }
            }
            else if(big_queue.size() < small_queue.size())
            {
                
                if(num < small_queue.top())
                {
                    big_queue.push(num);
                }
                else
                {
                    big_queue.push(small_queue.top());
                    small_queue.pop();
                    small_queue.push(num);
                }
            }
    
        }
    
        double findMedian() {
            if(big_queue.size() == small_queue.size())
                return ((big_queue.top()+small_queue.top())/2.0);
            else if(big_queue.size() > small_queue.size())
                return big_queue.top();
            else
                return small_queue.top();
    
        }
    };
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