Пирамидальная сортировка

Пирамидальная сортировка является методом, быстродействие которого оценивается как O(n log n).

Назовем пирамидой(Heap) бинарное дерево высоты k, в котором

· все узлы имеют глубину k или k-1 - дерево сбалансированное.

· при этом уровень k-1 полностью заполнен, а уровень k заполнен слева направо, т.е форма пирамиды имеет приблизительно такой вид:

· выполняется "свойство пирамиды": каждый элемент меньше, либо равен родителю.

Наиболее простой способ хранить пирамиду - поместить ее в массив.

Соответствие между геометрической структурой пирамиды как дерева и массивом устанавливается по следующей схеме:

· в a[0] хранится корень дерева

· левый и правый сыновья элемента a[i] хранятся, соответственнно, в a[2i+1] и a[2i+2]

Таким образом, для массива, хранящего в себе пирамиду, выполняется следующее характеристическое свойство: a[i] >= a[2i+1] и a[i] >= a[2i+2].

Плюсы такого хранения пирамиды очевидны:

· никаких дополнительных переменных, нужно лишь понимать схему.

· узлы хранятся от вершины и далее вниз, уровень за уровнем.

· узлы одного уровня хранятся в массиве слева направо.

Фаза 1 сортировки: построение пирамиды

Начать построение пирамиды можно с a[k]...a[n], k = [size/2]. Эта часть массива удовлетворяет свойству пирамиды, так как не существует индексов i,j: i = 2i+1 ( или j = 2i+2 )... Просто потому, что такие i,j находятся за границей массива. Далее будем расширять часть массива, обладающую столь полезным свойством, добавляя по одному элементу за шаг. Следующий элемент на каждом шаге добавления - тот, который стоит перед уже готовой частью.

Чтобы при добавлении элемента сохранялась пирамидальность, будем использовать следующую процедуру расширения пирамиды a[i+1]..a[n] на элемент a[i] влево:

1. Смотрим на сыновей слева и справа - в массиве это a[2i+1] и a[2i+2] и выбираем наибольшего из них.

2. Если этот элемент больше a[i] - меняем его с a[i] местами и идем к шагу 2, имея в виду новое положение a[i] в массиве. Иначе конец процедуры.

Новый элемент "просеивается" сквозь пирамиду. В геометрической интерпретации ключи из начального отрезка a[size/2]...a[n] является листьями в бинарном дереве, как изображено ниже. Один за другим остальные элементы продвигаются на свои места, и так - пока не будет построена вся пирамида.

На рисунках ниже изображен процесс построения. Неготовая часть пирамиды (начало массива) окрашена в белый цвет, удовлетворяющий свойству пирамиды конец массива - в темный.

Фаза 2: собственно сортировка

Итак, задача построения пирамиды из массива успешно решена. Как видно из свойств пирамиды, в корне всегда находится максимальный элемент. Отсюда вытекает алгоритм фазы 2:

1. Берем верхний элемент пирамиды a[0]...a[n] (первый в массиве) и меняем с последним местами. Теперь "забываем" об этом элементе и далее рассматриваем массив a[0]...a[n-1]. Для превращения его в пирамиду достаточно просеять лишь новый первый элемент.

2. Повторяем шаг 1, пока обрабатываемая часть массива не уменьшится до одного элемента.

Очевидно, в конец массива каждый раз попадает максимальный элемент из текущей пирамиды, поэтому в правой части постепенно возникает упорядоченная последовательность.

Быстродействие алгоритма.

Построение пирамиды занимает O(n log n) операций, причем более точная оценка дает даже O(n) за счет того, что реальное время выполнения процедуры вставки зависит от высоты уже созданной части пирамиды.

Вторая фаза занимает O(n log n) времени: O(n) раз берется максимум и происходит просеивание бывшего последнего элемента. Плюсом является стабильность метода: среднее число пересылок (n log n)/2, и отклонения от этого значения сравнительно малы.

Пирамидальная сортировка не использует дополнительной памяти.