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CSP-S 2020 第一轮 第24题:当输入的 d[i] 是严格单调递增序列时,第 17 行的 swap 平

阅读程序·单选 · 算法概念与复杂度分析 · 答案 A

题目

#include <iostream>
#include <cstdlib>
using namespace std;

int n;
int d[10000];

int find(int L, int R, int k) {
    int x = rand() % (R - L + 1) + L;
    swap(d[L], d[x]);
    int a = L + 1, b = R;
    while (a < b) {
        while (a < b && d[a] < d[L])
            ++a;
        while (a < b && d[b] >= d[L])
            --b;
        swap(d[a], d[b]);
    }
    if (d[a] < d[L])
        ++a;
    if (a - L == k)
        return d[L];
    if (a - L < k)
        return find(a, R, k - (a - L));
    return find(L + 1, a - 1, k);
}

int main() {
    int k;
    cin >> n;
    cin >> k;
    for (int i = 0; i < n; ++i)
        cin >> d[i];
    cout << find(0, n - 1, k);
    return 0;
}

假设输入的 $n,k$ 和 $d[i]$ 都是不超过 $10000$ 的正整数,且 $k$ 不超过 $n$,并假设 rand() 函数产生的是均匀的随机数,完成下面的判断题和单选题:

本小题

(2.5 分)当输入的 $d[i]$ 是严格单调递增序列时,第 17 行的 swap 平均执行次数是( )。【编者注:本题为错题,请选择 A 获取对应的分数】

选项

  • A. $O(n \log n)$
  • B. $O(n)$
  • C. $O(\log n)$
  • D. $O(n^2)$

答案

A

题解

严格按这份代码分析,第③题的选项有问题:不能用“递归约 \(\log n\) 层,每层交换一次”来选 C。

关键在于:初始数组递增,不代表递归处理的数组仍然递增。 第 10 行会打乱顺序,而且程序没有把枢轴交换到最终位置。

例如输入数组为 \(1,2,\ldots,15\),取 \(k=1\)。如果连续选到枢轴 \(11、8、5\),就会出现:

本层枢轴第 17 行执行次数下一层处理的数组
1112 3 4 5 6 7 8 9 10 1
823 4 5 6 7 2 1
534 3 1 2

可见,每层的交换次数会随着末尾积累的小元素增加,并非始终是常数。

进一步分析,取 \(k=1\) 时,在区间仍足够长的阶段,每次向左递归通常都会多积累一个这样的元素;随机选择枢轴又会产生约 \(\log n\) 层递归。因此,平均交换次数的紧确量级实际上为 \[ \Theta\bigl((\log n)^2\bigr), \] 而选项没有列出这个量级。

所以:

  • 若要求准确的复杂度量级:没有合适选项。
  • 若必须从给出的 \(O\) 上界中选最小的有效上界:选 B,\(O(n)\)。
  • 选 C 的“每层只交换常数次”解释,忽略了递归时数组顺序已经改变,不能成立。

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