剑指offer面试题51:数组中的逆序对(Java 实现)

题目:在数组中的两个数字如果前面一个数字大于后面的数字,则这两个数字组成一个逆序对。输入一个数组,求出这个数组中的逆序对的总数例如在数组{7,5,6,4}中,一共存在5对逆序对,分别是{7,6},{7,5},{7,4},{6,4},{5,4}。

测试用例:

  1. 功能测试:输入未经排序的数组;递增排序的数组;递减排序的数组;输入的数组包含重复的数字。
  2. 边界测试:输入的数组只有两个数字;输入的数组只有一个数字。
  3. 负面测试:输入的数组为空。

方法一:暴力法,时间复杂度为 O(n²)。

思路:看到这个题目,我们的第一反应就是顺序扫描整个数组。每扫描到一个数组的时候,逐个比较该数字和它后面的数字的大小。如果后面的数字比它小,则这两个数字就组成一个逆序对。假设数组中含有n个数字。由于每个数字都要和O(n)个数字做比较,因此这个算法的时间复杂度为O(n²)。我们尝试找找更快的算法。

方法二:利用一个辅助数组,用空间换时间,时间复杂度为 O(nlogn),空间复杂度为 O(n)。

思路:

如下图所示,我们先把数组分解称两个长度为2的子数组,再把这两个子数组分别茶城两个长度为1的子数组。接下来一边合并相邻的子数组,一边统计逆序对的数目。在第一对长度为1的子数组{7},{5}中7大于5,因此{7,5}组成一个逆序对。同样在第二对长度为1的子数组{6},{4}中也有逆序对{6,4}。由于我们已经统计了这两队子数组内部逆序对,因此需要把这两对子数组排序,以免在以后的统计过程中再重复统计。

接下来我们统计两个长度为2的子数组之间的逆序对。

我们先用两个指针分别指向两个子数组的末尾,并每次比较两个指针指向的数字。如果第一个子数组中的数字大于第二个子数组中的数字,则构成逆序对,并且逆序对的数目等于第二个子数组中的剩余数字的个数。如果第一个数组中的数字小于或等于第二个数组中的数字,则不构成逆序对。每一次比较的时候,我们都把较大的数字从后往前复制到一个辅助数组中去,确保辅助数组中的数字是递增排序的。在把较大的数字复制到数组之后,把对应的指针向前移动一位,接着来进行下一轮的比较。

经过前面详细的讨论,我们可以总结出统计逆序对的过程:先把数组分隔成子数组,先统计出子数组内部的逆序对的数目,然后再统计出两个相邻子数组之间的逆序对的数目。在统计逆序对的过程中,还需要对数组进行排序。如果对排序算法很熟悉,我们不难发现这个排序的过程就是归并排序。

public class test_fifty_one {
	public int InversePairs(int[] array){
		if(array == null || array.length == 0)return 0;
		
		//用来存放复制的数组
		int[] copy = new int[array.length];
		
		int count = InversePairsCore(array, copy, 0, array.length-1);
		return count;
	}

	//构造递归函数
	private int InversePairsCore(int[] array, int[] copy, int low, int high) {
		//递归结束条件
		if(low == high)return 0;
		
		int mid = (low + high) >> 1;
		
		//分治算法,将数组分为两部分
		int leftCount = InversePairsCore(array, copy, low, mid) % 1000000007;
		int rightCount = InversePairsCore(array, copy, mid+1, high) % 1000000007;
		
		int count = 0;
		int i = mid;
		int j = high;
		int copyIndex = high;
		
		//将子数组合并、排序、计算逆序数
		while(i >= low && j > mid){
			
			//合并时前半部分的array[i]>array[j],
			//即array[j]前面的数字都会比array[i]小,以此来计算逆序数
			if(array[i] > array[j]){
				count = count + j-mid;
				copy[copyIndex--] = array[i--];
				
				//如果count过大,即对count进行取余处理
				if(count >= 1000000007)
					count = count % 1000000007;
			}
			else{
				copy[copyIndex--] = array[j--];
			}
		}
		//将数组中剩余元素复制到copy数组中,排好序
		for(; i >= low; i--){
			copy[copyIndex--] = array[i];
		}
		for(; j > mid; j--){
			copy[copyIndex--] = array[j];
		}
		//将排好序的数组服回给原数组,进行下一步的合并
		for(int s=low;s <= high;s++){
	        array[s] = copy[s];
	    }
		return (count + leftCount + rightCount) % 1000000007;
	}
}

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