Функция метода простого включения c. Сортировка с помощью прямого включения. Сортировка методом прямого выбора

Такой метод широко используется при игре в карты. Элементы (карты) мысленно делятся на уже «готовую» последовательность A 1 , A 2 ,…, A i -1 , и «оставшуюся» (не сортированную) часть: A i , A i +1 ,…, A N .

Суть метода заключается в том, что при каждом i-ом шаге (начиная с i = 2), из неотсортированной части извлекается i-ый элемент и помещается в «готовую» часть, при этом он вставляется на нужное место.

Текстовый алгоритм метода:

1. Начало.

2. Выполнить цикл, пока i имеет значения от 2 до N,
шаг = 1:

а) i-ый элемент (A(i)) поместить в ячейку A(0);

б) присвоить j = -1, то есть j равно номеру элемента, находящегося слева от испытуемого (i-го) и таким образом стоящего в «готовой» последовательности;

в) если А(0) ≥ А(j), то элемент А(0) поместить в ячейку А(j+1), иначе элемент А(j) поместить в ячейку А(j+1), уменьшить значение j на единицу и вновь выполнить пункт в).

На рис. 1 представлена блок-схема сортировки методом прямого включения.

Метод работает следующим образом: на i-ом шаге (начиная с i = 2) i-ый элемент помещается в свободную ячейку (например, А(0)). Этот элемент сравнивается со стоящим в «готовой» части слева от него элементом. Если элемент А(0) меньше, то происходит сдвиг вправо сравниваемого (j-го элемента) на одну позицию, после чего для сравнения берется следующий элемент. Если же элемент А(0) при сравнении оказывается не меньше, то он помещается на место, стоящее сразу за сравниваемым элементом.

Рис. 1. Блок-схема сортировки методом прямого включения

На рис. 2 приведен пример выполнения сортировки методом прямого включения.

Исходная последовательность
	А (0)
I = 2
I = 3
I = 4
I = 5
I = 6
I = 7
I = 8
Результат

Рис. 2. Пример сортировки методом прямого включения

Сортировка прямым включением больше подходит для случая, когда сортируемые данные поступают последовательно (одно за другим).

Сортировка методом прямого выбора

Суть метода заключается в следующем. Выбирается наименьший элемент в «оставшейся» (неотсортированной) части и меняется местами с первым элементом (в этой же неотсортированной части). После этого длина неотсортированной части уменьшается на один элемент (на первый), и весь процесс продолжается уже с (n – 1) элементами, затем с (n – 2) элементами и т.д., до тех пор, пока не останется один, самый большой элемент.

Этот метод в некотором смысле противоположен методу прямого включения. В методе прямого включения на каждом шаге рассматривается только один очередной элемент и все элементы уже «готовой» части последовательности, среди которых отыскивается точка включения этого очередного элемента. А в методе прямого выбора для поиска одного (минимального) элемента просматривают все элементы неотсортированной части, и этот минимальный элемент помещается как очередной элемент в уже «готовую» часть.

Текстовый алгоритм метода:

1. Начало.

2. Выполнить цикл, пока i имеет значения от 1 до N – 1,
шаг = 1:

а) поместим текущий (i-ый) элемент в какую-нибудь ячейку памяти (Х) и запомним порядковый номер (i) текущего элемента (в переменной К);

б) выполнить цикл, пока j имеет значения от i + 1 (то есть от следующего за i элемента) до N, шаг = +1:

тело цикла: если Х > А(j), то помещаем в ячейку Х элемент А(j) и запоминаем его номер в ячейке К;

в) присвоить А(К) = А(i) и А(i) = Х.

На рис. 3 приведен пример выполнения сортировки методом прямого выбора.

Исходная последовательность	44						06
I = 1		55	12
I = 2			55			18
I = 3				42		55
I = 4					94		44
I = 5						55	94
I = 6							94	67
I = 7

Рис. 3. Пример сортировки методом прямого выбора

Сортировка методом прямого включения, так же как и сортировка методом простого выбора, обычно применяется для массивов, не содержащих повторяющихся элементов.

Сортировка методом прямого включения, как и все описанные выше, производится по шагам. На k - м шаге считается, что часть массива, содержащая первые k-1 элементов, уже упорядочена, то есть

а ≤ а ≤ ... ≤ a .

Далее необходимо взять k - й элемент и подобрать для него такое место в отсортированной части массива, чтобы после его вставки упорядоченность не нарушалась, то есть надо найти такое j (1 ≤ j ≤ k -1), что а [j] ≤ a[k] < a. Затем вставить элемент а [k] на найденное место.

С каждым шагом отсортированная часть массива увеличивается. Для выполнения полной сортировки потребуется выполнить n-1 шаг.

Рассмотрим этот процесс на примере. Пусть требуется отсортировать массив из 10 элементов по возрастанию методом прямого включения

1 - й шаг

13 6 8 11 3 1 5 9 15 7 Рассматриваем часть массива из одного эле-

мента (13). Нужно вставить в нее второй

элемент массива (6) так, чтобы упорядочен-

ность сохранилась. Так как 6 < 13, вставляем

6 на первое место. Отсортированная часть

массива содержит два элемента (6 13).

3 - й шаг

6 8 13 11 3 1 5 9 15 7 Следующий элемент - 11. Он записывается в упорядоченную часть массива на третье место, так как 11 > 8 , но 11 < 13.

5 - шаг

3 6 8 11 13 1 5 9 15 7 По той же причине 1 записываем на первое

6 - шаг

1 3 6 8 11 13 5 9 15 7 Так как 5 > 3, но 5 < 6 то место 5 в упоря-

Доченной части - третье.

7 - шаг

1 3 5 6 8 11 13 9 15 7 Место числа 9 - шестое.

8 - шаг

1 3 5 6 8 9 11 13 15 7 Определяем место для предпоследнего

Элемента 15. Оказывается, что этот эле-

мент массива уже находится на своем месте.

9 - шаг

1 3 5 6 8 9 11 13 15 7 Осталось подобрать подходящее место для

Последнего элемента (7).

1 3 5 6 7 8 9 11 13 15 Массив отсортирован полностью.

Сейчас можно коротко описать фрагмент алгоритма сортировки методом прямого включения:

For k: = 2 To n Do

{ так как начинам сортировку с поиска подходящего места для a, i изменяется от 2 до n }

‘вставить x на подходящее место в a , ..., a[k] ‘

Осталось ответить на вопрос, как осуществить поиск подходящего места для элемента x. Поступим следующим образом: будем просматривать элементы, расположенные левее x (то есть те, которые уже упорядочены), двигаясь к началу массива. Нужно просматривать элементы a[ j ] , j изменяется от k-1 до 1. Такой просмотр должен закончиться при выполнении одного из следующих условий:

· найден элемент a[j] < x, что говорит о необходимости вставки x между a и a[j].

· достигнут левый конец упорядоченной части массива, следовательно, нужно вставить x на первое место.

До тех пор, пока одно из этих условий не выполнится, будем смещать просматриваемые элементы на первую позицию вправо, в результате чего в отсортированной части будет освобождено место под x.

Программа сортировки методом прямого включения:

program n3; { Сортировка по убыванию }

type ar=array of integer;

procedure sorting3(var a:ar);

var i,j,x,k:integer;

for k:=2 to n do

x:=a[k]; j:=k-1;

while (j>0)and(x>=a[j]) do

writeln("Введите исходный массив:");

for i:=1 to n do read(a[i]);

writeln("Отсортированный массив:");

for i:=1 to n do write(a[i]," ");

Для сортировки (упорядочения) по возрастанию или убыванию значений в массиве разработано множество методов [Вирт, Кнут. т 3].Рассмотрим три из них, считая, для определённости, что первые n, n=6, элементов массива Х

На каждом следующем i-том шаге, i=2, 3,…,n-1, значение из (i+1)-ой ячейки массива путем обмена положением с числом из предыдущей ячейки продвигают в сторону уменьшения индекса ячейки до тех пор, пока ни окажется, что в предыдущей ячейке находится меньшее число.

Из сказанного следует, что при реализации метода прямого включения внешний цикл должен выполняться n-1 раз, а максимально возможное число выполнений внутреннего цикла, в теле которого должны выполняться сравнения и перестановки чисел, будет увеличиваться от 1 до n-1. Однако внутренний цикл следует организовать так, чтобы он заканчивался или вообще не выполнялся при наступлении условия: значение в предыдущей ячейке массива меньше, чем в текущей.

В нашем примере:

При i=2 число 15 из ячейки Х 3 последовательно обменяется местами с числом 34 из ячейки Х 2 , а затем с числом 21 из ячейки Х 1 ,

При i=4 число 25 из ячейки Х 5 обменяется местами с числом 34 из ячейки Х 3 ,

Ниже представлен фрагмент программы упорядочения по возрастанию первых n элементов массива X методом прямоговключения (включения с сохранением упорядоченности) .

for i:=1 to n-1 do

2. while (X0) do

3. R:=X[j];

   X[j]:=X;

   X:=R;

Для упорядочения чисел в массиве по убыванию достаточно на каждом шаге изменить условие перестановки чисел в соседних ячейках массива на обратное, а именно, обмен значениями соседних ячеек выполнят в случае, когда предыдущее меньше текущего.

Метод прямого обмена (метод пузырька).

Этот метод, как и предыдущий, основан на обмене значениями соседних ячеек массива, но с первого же шага в последовательном анализе, при движении от одного конца массива к другому, участвуют все пары соседних ячеек массива.

На первом шаге последовательно, для j = n, n-1, …,2, сравниваются значения соседних ячеек массива, и при выполнении условия Х j <Х j-1 выполняется их перестановка, в результате чего наименьшее число оказывается в ячейке Х 1 .

В нашем примере после выполнения первого шага данные в массиве расположатся так:

На каждом следующем шаге число проверяемых пар ячеек будет уменьшаться на 1. В общем случае, на любом шаге i, i=1, 2, 3, …, n-1, процесс будет выполняться для j от n до i+1, в частности, при i= n-1 – только один раз для n-ой и (n-1)-вой ячеек.

Из сказанного следует, что при реализации метода прямого обмена внешний цикл должен выполняться n-1раз, а число выполнений внутреннего цикла, в теле которого должны выполняться сравнения и перестановки чисел, будет уменьшаться от n-1 до 1.

Происхождение термина “метод пузырька” объясняется так: если представить вертикальное расположение ячеек массива с ростом индекса сверху вниз, то самое маленькое число из рассматриваемых будет подниматься вверх подобно пузырьку в воде.

В нашем примере

При i=3 перестановки приведут к следующему состоянию массива

При использовании метода пузырька не имеет значения, в сторону увеличения или в сторону уменьшения индексов продвигается анализ пар чисел в массиве, а вид упорядочения (по возрастанию или убыванию) определяется только условием перестановки чисел (меньшее должно расположиться за большим или наоборот).

Модифицированный метод прямого обмена (модифицированный метод пузырька).

Как видно из приведенного выше числового примера массив оказался упорядоченным уже после четвёртого шага, то есть возможновыполнение внешнего цикла не n-1 раз, а меньше, когда станет известно, что массив уже упорядочен. Такая проверка основывается на следующем: если при выполнении внутреннего цикла не было ни одной перестановки, значит массив уже упорядочен и можно выйти из внешнего цикла. В качестве признака, выполнялась ли перестановка, используют переменную булевского типа: до входа во внутренний цикл ей дают одно значение, например, False, а при выполнении перестановки – другое, например, True.

Очевидно, эффект при использовании модифицированного метода пузырька по сравнению с не модифицированным методом в ускорении процесса сортировки будет наблюдаться, если исходная последовательность чисел близка к упорядоченности в нужном направлении. В предельном случае, когда массив уже упорядочен нужным образом тело внешнего цикла будет выполнено только один раз.

Метод вставки с прямым включением можно улучшить, если отыскивать место для вставляемой записи в упорядоченной подтаблице с помощью метода бинарного (дихотомического, двоичного, логарифмического) поиска. Эта модификация метода вставки названа вставкой с бинарным включением.

Рассмотрим j ‑й шаг сортировки (j =2, 3, ..., n ). Если K [ j ]>= K [ j -1] , то упорядоченность не нарушилась и следует перейти к R [ j +1]– ой записи. Если же K [ j ]< K [ j -1] , то R [ j ] запоминается в рабочей переменной (Rab = R [ j ]) и для нее ищется место в упорядоченной части таблицы – в подтаблице. Обозначим нижнюю границу индекса этой подтаблицы через ng , верхнюю - через vg (первоначально ng =1. vg =j-1 ).

Согласно бинарному поиску ключ K [ j ] рассматриваемой записи R [ j ] должен сначала сравниться с ключом K [ i ] записи R [ i ] , находящейся в середине упорядоченной подтаблицы (i=(ng+vg) div 2) . Если K [ j ]> K [ i ], то отбрасывается (то есть больше не рассматривается) левая часть подтаблицы- записи с меньшими ключами (ng = i +1) . Если K [ j ]< K [ i ] , то отбрасывается правая часть подтаблицы - записи с большими ключами (vg = i -1). В оставшейся части подтаблицы поиск продолжается. Процесс деления частей подтаблицы пополам продолжается до тех пор, пока не возникнет одна из следующих ситуаций:

1) K [ j ]= K [ i ] , следовательно, (i+1) -я позиция является местом для рассматриваемой записи. Сдвинем записи R [ i +1], R [ i +2], …, R [ j -1] на одну позицию вправо и освободим тем самым место для вставки (R [ i +1]= Rab ).

2) K [ j ]<> K [ i ] и ng > vg – ключи не совпали, а длина последней подтаблицы равна 1. В этом случае местом для вставки является позиция ng , поэтому записи R [ ng ], R [ ng +1], … , R [ j -1] должны быть сдвинуты на одну позицию вправо (R [ ng ]= Rab ) .

Алгоритм бинарного поиска подробно описан в разделе "Дихотомический поиск по совпадению".

Рассмотрим на примере j -й шаг сортировки (определяется место записи с ключом, равным 9; j =7, K [ j ]=9 ):

Среднее число сравнений для данного метода составляет n log 2 (n) .

Метод двухпутевой вставки

Метод двухпутевой вставки является модификацией метода вставки с прямым включением; он позволяет улучшить характеристики сортировки.

Для реализации этого метода необходим дополнительный объем памяти, равный объему, занимаемому таблицей, подлежащей сортировке (назовем его зоной вывода T ). На первом шаге сортировки в середину зоны вывода (позиция m=(n div 2)+1 ) помещается первая запись таблицы R. Остальные позиции Т пока пусты. На последующих шагах сортировки ключ очередной записи R [ j ] (j =2, 3, …, n ) сравнивается с ключом записи T [ m ] и, в зависимости от результатов сравнения, место для R [ j ] отыскивается в Т слева или справа от T [ m ] методом вставки. При этом должны запоминаться номера самого левого (l ) и самого правого (r ) внесенных в зону вывода элементов. Конечные значения l и r равны 1 и n соответственно.

В алгоритме должны быть учтены также следующие ситуации:

ключ записи R[j] меньше ключа записи T[m] , но l=1 ;

ключ записи R[j] больше ключа записи T[m] , но r=n .

В этих случаях для вставки записи R [ j ] необходимо осуществлять сдвиг записей подтаблицы вместе с записью T [ m ] вправо или влево (используется метод вставки с прямым включением).

Рассмотрим пример сортировки с использованием этого метода.

Пусть исходная последовательность ключей таблицы имеет вид:

24, 1, 28, 7, 25, 3, 6, 18, 8 (n =9, m =(n div 2)+ 1=5)

Номер шага	Зона вывода

Необходимые определения и классификация сортировок.

Сортировка. Необходимые определения и классификация сортировок. Сортировки прямого включения и выбора. Их эффективность

Сортировка – это расположение данных в памяти в регулярном виде по их ключам. Так что при обработке данных важно знать информационное поле данных и размещение их в машине. Поэтому различают внутреннюю (сортировка в оперативной памяти) и внешнюю сортировки (сортировка во внешней памяти). Регулярность расположения элементов – это возрастание (убывание) значения ключа от начала к концу в массиве.

Если сортируемые записи занимают большой объем памяти, то их перемещение требует больших затрат. Для того чтобы их уменьшить, используют метод сортировки таблицы адресов . Этот метод применяют в таблице адресов ключей . Производят перестановку указателей, т.е. Сам массив не перемещается. При сортировке могут встретиться и одинаковые ключи. В этом случае одинаковые ключи желательно расположить после сортировки в том же порядке, что и в исходном файле. Этот принцип используется для устойчивой сортировки .

Эффективность сортировки можно рассматривать с нескольких критериев:

1) время, затрачиваемое на сортировку;

2) объем оперативной памяти, требуемой для сортировки;

3) время, затраченное программистом на написание программы.

Время, затраченное на сортировку, пропорционально количеству сравнений при выполнении сортировки и количеству перемещений элементов.

Считается, что порядок числа сравнения при сортировке может находиться в пределах от о(nlogn) до о(n 2) , где о(n) - идеальный и недостижимый случай.

Методы сортировки можно классифицировать примерно так:

1) строгие (прямые) методы (их эффективность примерно одинакова):

· прямого включения ;

· прямого выбора ;

· прямого обмена ;

2) улучшенные методы .

В жизни принцип данной сортировки присутствует при раскладывании пасьянсов, уборки квартиры, когда необходимо расположить кучу смешанных вещей в должном порядке и т.д. Очень естественный способ сортировки был применён и к упорядочиванию данных.

Элементы мысленно делятся на уже готовую последовательность a 1 ,...,a i-1 и исходную последовательность. В готовой последовательности элементы располагаются в заданном порядке (по убыванию или по возрастанию). А в исходной последовательности располагаются элементы, которые и нужно отсортировать. При каждом шаге элементы исходной последовательности уменьшаются на единицу, а готовая увеличивается на единицу. Это происходит из-за того, что из исходной последовательности извлекается i- й элемент и перекладывается в готовую последовательность, при этом он вставляется на нужное место среди элементов готовой последовательности.

Рассмотрим пример сортировки методом прямого включения на последовательности элементов: 10, 3, 11, 8, 2, 15, 44, 9 (табл. 11.1). Необходимо её отсортировать по возрастанию.

Сначала готовая последовательность не имеет элементов. На первом шаге первый элемент исходной последовательности – это 10, становится первым элементом готовой последовательности. Далее второй шаг: элемент 3 из исходной последовательности помещается в готовую. Это происходит так. Если элемент больше 10, то он остаётся на своём месте, а если меньше, то 10 сдвигается на единицу вправо и на её место ставится элемент. Так как 3<10, то готовая последовательность теперь будет иметь вид: 3, 10, а исходная – 11, 8, 2, 15, 44, 9. Далее на третьем шаге из исходной последовательности выбирается 11 и помещается в готовую последовательность. Сначала 11 сравнивается с 10, и так как 11>10, то 11 остаётся на месте. Исходная последовательность теперь равна: 8, 2, 15, 44, 9. Последующие шаги производятся аналогичным образом.

Таблица 11.1

Принцип работы сортировки прямым включением

Число шагов в данной сортировке (табл. 11.1) равно числу элементов в сортируемой последовательности, т.е. 8 шагов = 8 элементов.

Существуют два способа реализации данного метода – это без барьера (рис. 11.1) и с барьером (рис. 11.2).