215. Kth Largest Element in an Array

Find the kth largest element in an unsorted array. Note that it is the kth largest element in the sorted order, not the kth distinct element.

For example,
Given [3,2,1,5,6,4] and k = 2, return 5.

Note:
You may assume k is always valid, 1 ≤ k ≤ array's length.

Solution1:Sort后輸出nums[k - 1]

思路:升序排序nums后究反,直接輸出nums[k - 1]偿渡。
Time Complexity: O(NlogN) Space Complexity: O(1)

Solution2:最小堆過濾

思路:最小堆過濾废岂,建立min_heap(size:k)來維護(hù)當(dāng)前前k個(gè)大的元素淑际,輸出第k個(gè)

The default PriorityQueue is implemented with Min-Heap, that is the top element is the minimum one in the heap.
poll() Retrieves and removes the head

C++: std::priority_queue default: max heap,
java/python: priorityqueue: min-heap

Time Complexity: O(k + Nlogk) , k: 建堆
Space Complexity: O(k) (Since可以直接在原序列上做:O(1))

Solution2.5:最小堆過濾 Round1

Time Complexity: O(k + Nlogk) , k: 建堆
Space Complexity: O(k) (Since可以直接在原序列上做:O(1))

Solution3:堆排序段标,建立max_heap(size:N)來排出k個(gè)大的元素担败,輸出第k個(gè)

思路:
Time Complexity: O(N + k * logN) Space Complexity: O(N)

Solution4:類似快排的Partition

思路:因?yàn)槭且业降趉個(gè)大的元素掩缓,所以每次以一個(gè)pivot來重排數(shù)組料仗,使得大于pivot的元素在pivot的左邊,小于pivot的元素在pivot的右邊意敛,
實(shí)現(xiàn)過程類似快速排序(前后雙指針馅巷,比較,交換)草姻,
比如原數(shù)組為nums = [*3, 1, 2, 4, 5]钓猬,如選中3作為pivot(選pivot的過程有隨機(jī)成分,這也是有可能出現(xiàn)worse case的原因)撩独,一次重排后數(shù)組變?yōu)椋?br> nums = [5, 4, 3, 2, 1]敞曹,將pivot=3的位置記為pos,若此時(shí)k - 1 < pos综膀,說明第k個(gè)大的元素肯定在左邊部分澳迫,
所以后續(xù)只需要在左邊部分[5,4]重復(fù)選擇pivot重排的過程;相反同理僧须,若k - 1 > pos纲刀,則在右邊部分重排..;若k == pos直接返回担平。
這樣一來示绊,如果pivot選的數(shù)(隨機(jī)成分)接近median,相當(dāng)于每次二分暂论,則:T(n) = T(n/2) + O(n)面褐,O(n)是重排的過程,可解得T(n) = O(n)取胎。
實(shí)現(xiàn)上:可剛開始在輸入上shuffle一下展哭,保證"更加無序"
所以Average是近似二分湃窍,時(shí)間復(fù)雜度 Average: O(N), Worst: O(N
N)
Space Complexity: O(1)

Solution1 Code:

class Solution {
    public int findKthLargest(int[] nums, int k) {
        Arrays.sort(nums);
        return nums[nums.length - k];
    }
}

Solution2 Code:

class Solution {
    public int findKthLargest(int[] nums, int k) {
        final PriorityQueue<Integer> pq = new PriorityQueue<>();
        for(int val : nums) {
            pq.offer(val);

            if(pq.size() > k) {
                pq.poll();
            }
        }
        return pq.peek();
    }
}

Solution2.5 Code:

class Solution {
    public int findKthLargest(int[] nums, int k) {
        if(nums == null || nums.length < k) return -1;
        
        PriorityQueue<Integer> pq = new PriorityQueue<>();
        
        for(int i = 0; i < k; i++) {
            pq.offer(nums[i]);
        }
        
        for(int i = k; i < nums.length; i++) {
            if(nums[i] > pq.peek()) {
                pq.poll();
                pq.offer(nums[i]);
            }
        }
        
        return pq.peek();
    }
}

Solution3 Code:

public class Solution {
    public int findKthLargest(int[] nums, int k) {
        PriorityQueue<Integer> pq = new PriorityQueue<>((x, y) -> y - x);
        // build max-heap
        for(int val : nums) {
            pq.offer(val);
        }
       
       // pop k times
        int result = 0;
        for (int i = 0; i < k; i++) {
            result = pq.poll(); 
        }
        return result;

    }
}

Solution4 Code:

class Solution {
    public int findKthLargest(int[] nums, int k) {
        // shuffle(nums);
        k = nums.length - k;
        int lo = 0;
        int hi = nums.length - 1;
        while (lo < hi) {
            final int j = partition(nums, lo, hi);
            if(j < k) {
                lo = j + 1;
            } else if (j > k) {
                hi = j - 1;
            } else {
                break;
            }
        }
        return nums[k];
    }
    
    private int partition(int[] a, int lo, int hi) {
        int i = lo;
        int j = hi + 1;
        while(true) {
            while(i < hi && less(a[++i], a[lo]));
            while(j > lo && less(a[lo], a[--j]));
            if(i >= j) {
                break;
            }
            exch(a, i, j);
        }
        exch(a, lo, j);
        return j;
    }

    private void exch(int[] a, int i, int j) {
        final int tmp = a[i];
        a[i] = a[j];
        a[j] = tmp;
    }
    
    private boolean less(int v, int w) {
        return v < w;
    }

    // Reservoir Sampling
    private void shuffle(int a[]) {
        final Random random = new Random();
        for(int ind = 1; ind < a.length; ind++) {
            final int r = random.nextInt(ind + 1);
            exch(a, ind, r);
        }
    }
}
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