Как найти k-й наименьший элемент в объединении двух отсортированных массивов?

Это вопрос домашнего задания. Они говорят, что принимает O(logN + logM)где Nи Mявляются длинами массивов.

Назовем массивы aи b. Очевидно, мы можем игнорировать все a[i]и b[i]где i> k.
Сначала сравним a[k/2]и b[k/2]. Пусть b[k/2]> a[k/2]. Поэтому мы можем отбросить и все b[i], где i> k / 2.

Теперь у нас есть все a[i], где i <k, и все b[i], где i <k / 2, чтобы найти ответ.

Каким будет следующий шаг?

Вы получили это, просто продолжайте! И будьте осторожны с индексами ...

Чтобы немного упростить, я предполагаю, что N и M> k, поэтому сложность здесь O (log k), что составляет O (log N + log M).

Псевдокод:

i = k/2
j = k - i
step = k/4
while step > 0
    if a[i-1] > b[j-1]
        i -= step
        j += step
    else
        i += step
        j -= step
    step /= 2

if a[i-1] > b[j-1]
    return a[i-1]
else
    return b[j-1]

Для демонстрации вы можете использовать инвариант цикла i + j = k, но я не буду выполнять всю вашу домашнюю работу :)

Надеюсь, я не отвечаю на вашу домашнюю работу, так как этот вопрос был задан больше года назад. Вот хвостовое рекурсивное решение, которое займет время log (len (a) + len (b)).

Предположение: исходные данные верны. т.е. k находится в диапазоне [0, len (a) + len (b)]

Базовые случаи:

• Если длина одного из массивов равна 0, ответ - k-й элемент второго массива.

Шаги восстановления:

• Если средний индекс a+ средний индекс bменьше чемk
  • Если средний элемент aбольше, чем средний элемент b, мы можем игнорировать первую половину b, отрегулируйте k.
  • иначе игнорируйте первую половину a, настройте k.
• Иначе, если kменьше суммы средних индексов aи b:
  • Если средний элемент aбольше, чем средний элемент b, мы можем смело игнорировать вторую половинуa
  • иначе мы можем игнорировать вторую половину b

Код:

def kthlargest(arr1, arr2, k):
    if len(arr1) == 0:
        return arr2[k]
    elif len(arr2) == 0:
        return arr1[k]

    mida1 = len(arr1)/2
    mida2 = len(arr2)/2
    if mida1+mida2<k:
        if arr1[mida1]>arr2[mida2]:
            return kthlargest(arr1, arr2[mida2+1:], k-mida2-1)
        else:
            return kthlargest(arr1[mida1+1:], arr2, k-mida1-1)
    else:
        if arr1[mida1]>arr2[mida2]:
            return kthlargest(arr1[:mida1], arr2, k)
        else:
            return kthlargest(arr1, arr2[:mida2], k)

Обратите внимание, что мое решение создает новые копии меньших массивов при каждом вызове, это можно легко устранить, передав только начальные и конечные индексы в исходных массивах.

Многие люди ответили на вопрос «k-й наименьший элемент из двух отсортированных массивов», но обычно с помощью только общих идей, а не четкого рабочего кода или анализа граничных условий.

Здесь я хотел бы подробно рассказать о том, как я пошел, чтобы помочь некоторым новичкам понять, с моим правильным рабочим кодом Java. A1и A2- два отсортированных по возрастанию массива с длиной size1и size2длиной соответственно. Нам нужно найти k-й наименьший элемент из объединения этих двух массивов. Здесь мы разумно предполагаем (k > 0 && k <= size1 + size2), что подразумевает это A1и A2не может быть одновременно пустым.

Во-первых, давайте подойдем к этому вопросу с помощью медленного алгоритма O (k). Метод заключается в сравнении первого элемента как массива, так A1[0]и A2[0]. Меньшую возьмите, скажем A1[0], в карман. Потом сравните A1[1]с A2[0]и так далее. Повторяйте это действие, пока наш карман не достигнет kэлементов. Очень важно: на первом этапе мы можем взять на себя обязательства только A1[0]в нашем кармане. Мы НЕ можем включать или исключать A2[0]!!!

Следующий код O (k) дает вам один элемент перед правильным ответом. Здесь я использую его, чтобы показать свою идею и анализ граничных условий. После этого у меня правильный код:

private E kthSmallestSlowWithFault(int k) {
    int size1 = A1.length, size2 = A2.length;

    int index1 = 0, index2 = 0;
    // base case, k == 1
    if (k == 1) {
        if (size1 == 0) {
            return A2[index2];
        } else if (size2 == 0) {
            return A1[index1];
        } else if (A1[index1].compareTo(A2[index2]) < 0) {
            return A1[index1];
        } else {
            return A2[index2];
        }
    }

    /* in the next loop, we always assume there is one next element to compare with, so we can
     * commit to the smaller one. What if the last element is the kth one?
     */
    if (k == size1 + size2) {
        if (size1 == 0) {
            return A2[size2 - 1];
        } else if (size2 == 0) {
            return A1[size1 - 1];
        } else if (A1[size1 - 1].compareTo(A2[size2 - 1]) < 0) {
            return A1[size1 - 1];
        } else {
            return A2[size2 - 1];
        }
    }

    /*
     * only when k > 1, below loop will execute. In each loop, we commit to one element, till we
     * reach (index1 + index2 == k - 1) case. But the answer is not correct, always one element
     * ahead, because we didn't merge base case function into this loop yet.
     */
    int lastElementFromArray = 0;
    while (index1 + index2 < k - 1) {
        if (A1[index1].compareTo(A2[index2]) < 0) {
            index1++;
            lastElementFromArray = 1;
            // commit to one element from array A1, but that element is at (index1 - 1)!!!
        } else {
            index2++;
            lastElementFromArray = 2;
        }
    }
    if (lastElementFromArray == 1) {
        return A1[index1 - 1];
    } else {
        return A2[index2 - 1];
    }
}

Самая сильная идея заключается в том, что в каждом цикле мы всегда используем подход базового случая. После привязки к текущему наименьшему элементу мы приближаемся на один шаг к цели: k-му наименьшему элементу. Никогда не прыгайте в середину и не запутайтесь и не потеряйтесь!

Наблюдая выше код базового варианта k == 1, k == size1+size2, и в сочетании с , что A1и A2оба не могут быть пустыми. Мы можем превратить логику в более лаконичный стиль ниже.

Вот медленный, но правильный рабочий код:

private E kthSmallestSlow(int k) {
    // System.out.println("this is an O(k) speed algorithm, very concise");
    int size1 = A1.length, size2 = A2.length;

    int index1 = 0, index2 = 0;
    while (index1 + index2 < k - 1) {
        if (size1 > index1 && (size2 <= index2 || A1[index1].compareTo(A2[index2]) < 0)) {
            index1++; // here we commit to original index1 element, not the increment one!!!
        } else {
            index2++;
        }
    }
    // below is the (index1 + index2 == k - 1) base case
    // also eliminate the risk of referring to an element outside of index boundary
    if (size1 > index1 && (size2 <= index2 || A1[index1].compareTo(A2[index2]) < 0)) {
        return A1[index1];
    } else {
        return A2[index2];
    }
}

Теперь мы можем попробовать более быстрый алгоритм, работающий на O (log k). Точно так же сравните A1[k/2]с A2[k/2]; если A1[k/2]меньше, то все элементы от A1[0]до A1[k/2]должны быть у нас в кармане. Идея состоит в том, чтобы не просто фиксировать один элемент в каждом цикле; первый шаг содержит k/2элементы. Опять же, мы НЕ можем A2[0]в A2[k/2]любом случае включать или исключать . Итак, на первом этапе мы не можем идти дальше k/2элементов. Для второго шага мы не можем идти дальше k/4элементов ...

После каждого шага мы приближаемся к k-му элементу. В то же время каждый шаг становится все меньше и меньше, пока мы не дойдем до того (step == 1), что есть (k-1 == index1+index2). Затем мы снова можем обратиться к простому и мощному базовому случаю.

Вот рабочий правильный код:

private E kthSmallestFast(int k) {
    // System.out.println("this is an O(log k) speed algorithm with meaningful variables name");
    int size1 = A1.length, size2 = A2.length;

    int index1 = 0, index2 = 0, step = 0;
    while (index1 + index2 < k - 1) {
        step = (k - index1 - index2) / 2;
        int step1 = index1 + step;
        int step2 = index2 + step;
        if (size1 > step1 - 1
                && (size2 <= step2 - 1 || A1[step1 - 1].compareTo(A2[step2 - 1]) < 0)) {
            index1 = step1; // commit to element at index = step1 - 1
        } else {
            index2 = step2;
        }
    }
    // the base case of (index1 + index2 == k - 1)
    if (size1 > index1 && (size2 <= index2 || A1[index1].compareTo(A2[index2]) < 0)) {
        return A1[index1];
    } else {
        return A2[index2];
    }
}

Некоторые могут волноваться, а вдруг (index1+index2)перепрыгнет к-1? Можем ли мы пропустить базовый вариант (k-1 == index1+index2)? Это невозможно. Вы можете сложить 0,5 + 0,25 + 0,125 ... и никогда не выйдете за пределы 1.

Конечно, приведенный выше код очень легко превратить в рекурсивный алгоритм:

private E kthSmallestFastRecur(int k, int index1, int index2, int size1, int size2) {
    // System.out.println("this is an O(log k) speed algorithm with meaningful variables name");

    // the base case of (index1 + index2 == k - 1)
    if (index1 + index2 == k - 1) {
        if (size1 > index1 && (size2 <= index2 || A1[index1].compareTo(A2[index2]) < 0)) {
            return A1[index1];
        } else {
            return A2[index2];
        }
    }

    int step = (k - index1 - index2) / 2;
    int step1 = index1 + step;
    int step2 = index2 + step;
    if (size1 > step1 - 1 && (size2 <= step2 - 1 || A1[step1 - 1].compareTo(A2[step2 - 1]) < 0)) {
        index1 = step1;
    } else {
        index2 = step2;
    }
    return kthSmallestFastRecur(k, index1, index2, size1, size2);
}

Надеюсь, что приведенный выше анализ и код Java помогут вам понять. Но никогда не копируйте мой код в качестве домашнего задания! Ура;)

Вот итеративная версия решения @lambdapilgrim на C ++ (см. Объяснение алгоритма там):

#include <cassert>
#include <iterator>

template<class RandomAccessIterator, class Compare>
typename std::iterator_traits<RandomAccessIterator>::value_type
nsmallest_iter(RandomAccessIterator firsta, RandomAccessIterator lasta,
               RandomAccessIterator firstb, RandomAccessIterator lastb,
               size_t n,
               Compare less) {
  assert(issorted(firsta, lasta, less) && issorted(firstb, lastb, less));
  for ( ; ; ) {
    assert(n < static_cast<size_t>((lasta - firsta) + (lastb - firstb)));
    if (firsta == lasta) return *(firstb + n);
    if (firstb == lastb) return *(firsta + n);

    size_t mida = (lasta - firsta) / 2;
    size_t midb = (lastb - firstb) / 2;
    if ((mida + midb) < n) {
      if (less(*(firstb + midb), *(firsta + mida))) {
        firstb += (midb + 1);
        n -= (midb + 1);
      }
      else {
        firsta += (mida + 1);
        n -= (mida + 1);
      }
    }
    else {
      if (less(*(firstb + midb), *(firsta + mida)))
        lasta = (firsta + mida);
      else
        lastb = (firstb + midb);
    }
  }
}

Он работает для всех 0 <= n < (size(a) + size(b))индексов и имеет O(log(size(a)) + log(size(b)))сложность.

пример

#include <functional> // greater<>
#include <iostream>

#define SIZE(a) (sizeof(a) / sizeof(*a))

int main() {
  int a[] = {5,4,3};
  int b[] = {2,1,0};
  int k = 1; // find minimum value, the 1st smallest value in a,b

  int i = k - 1; // convert to zero-based indexing
  int v = nsmallest_iter(a, a + SIZE(a), b, b + SIZE(b),
                         SIZE(a)+SIZE(b)-1-i, std::greater<int>());
  std::cout << v << std::endl; // -> 0
  return v;
}

Моя попытка для первых k чисел, k-го числа в 2 отсортированных массивах и в n отсортированных массивах:

// require() is recognizable by node.js but not by browser;
// for running/debugging in browser, put utils.js and this file in <script> elements,
if (typeof require === "function") require("./utils.js");

// Find K largest numbers in two sorted arrays.
function k_largest(a, b, c, k) {
    var sa = a.length;
    var sb = b.length;
    if (sa + sb < k) return -1;
    var i = 0;
    var j = sa - 1;
    var m = sb - 1;
    while (i < k && j >= 0 && m >= 0) {
        if (a[j] > b[m]) {
            c[i] = a[j];
            i++;
            j--;
        } else {
            c[i] = b[m];
            i++;
            m--;
        }
    }
    debug.log(2, "i: "+ i + ", j: " + j + ", m: " + m);
    if (i === k) {
        return 0;
    } else if (j < 0) {
        while (i < k) {
            c[i++] = b[m--];
        }
    } else {
        while (i < k) c[i++] = a[j--];
    }
    return 0;
}

// find k-th largest or smallest number in 2 sorted arrays.
function kth(a, b, kd, dir){
    sa = a.length; sb = b.length;
    if (kd<1 || sa+sb < kd){
        throw "Mission Impossible! I quit!";
    }

    var k;
    //finding the kd_th largest == finding the smallest k_th;
    if (dir === 1){ k = kd;
    } else if (dir === -1){ k = sa + sb - kd + 1;}
    else throw "Direction has to be 1 (smallest) or -1 (largest).";

    return find_kth(a, b, k, sa-1, 0, sb-1, 0);
}

// find k-th smallest number in 2 sorted arrays;
function find_kth(c, d, k, cmax, cmin, dmax, dmin){

    sc = cmax-cmin+1; sd = dmax-dmin+1; k0 = k; cmin0 = cmin; dmin0 = dmin;
    debug.log(2, "=k: " + k +", sc: " + sc + ", cmax: " + cmax +", cmin: " + cmin + ", sd: " + sd +", dmax: " + dmax + ", dmin: " + dmin);

    c_comp = k0-sc;
    if (c_comp <= 0){
        cmax = cmin0 + k0-1;
    } else {
        dmin = dmin0 + c_comp-1;
        k -= c_comp-1;
    }

    d_comp = k0-sd;
    if (d_comp <= 0){
        dmax = dmin0 + k0-1;
    } else {
        cmin = cmin0 + d_comp-1;
        k -= d_comp-1;
    }
    sc = cmax-cmin+1; sd = dmax-dmin+1;

    debug.log(2, "#k: " + k +", sc: " + sc + ", cmax: " + cmax +", cmin: " + cmin + ", sd: " + sd +", dmax: " + dmax + ", dmin: " + dmin + ", c_comp: " + c_comp + ", d_comp: " + d_comp);

    if (k===1) return (c[cmin]<d[dmin] ? c[cmin] : d[dmin]);
    if (k === sc+sd) return (c[cmax]>d[dmax] ? c[cmax] : d[dmax]);

    m = Math.floor((cmax+cmin)/2);
    n = Math.floor((dmax+dmin)/2);

    debug.log(2, "m: " + m + ", n: "+n+", c[m]: "+c[m]+", d[n]: "+d[n]);

    if (c[m]<d[n]){
        if (m === cmax){ // only 1 element in c;
            return d[dmin+k-1];
        }

        k_next = k-(m-cmin+1);
        return find_kth(c, d, k_next, cmax, m+1, dmax, dmin);
    } else {
        if (n === dmax){
            return c[cmin+k-1];
        }

        k_next = k-(n-dmin+1);
        return find_kth(c, d, k_next, cmax, cmin, dmax, n+1);
    }
}

function traverse_at(a, ae, h, l, k, at, worker, wp){
    var n = ae ? ae.length : 0;
    var get_node;
    switch (at){
        case "k": get_node = function(idx){
                var node = {};
                var pos = l[idx] + Math.floor(k/n) - 1;
                if (pos<l[idx]){ node.pos = l[idx]; }
                else if (pos > h[idx]){ node.pos = h[idx];}
                else{ node.pos = pos; }

                node.idx = idx;
                node.val = a[idx][node.pos];
                debug.log(6, "pos: "+pos+"\nnode =");
                debug.log(6, node);
                return node;
            };
            break;
        case "l": get_node = function(idx){
                debug.log(6, "a["+idx+"][l["+idx+"]]: "+a[idx][l[idx]]);
                return a[idx][l[idx]];
            };
            break;
        case "h": get_node = function(idx){
                debug.log(6, "a["+idx+"][h["+idx+"]]: "+a[idx][h[idx]]);
                return a[idx][h[idx]];
            };
            break;
        case "s": get_node = function(idx){
                debug.log(6, "h["+idx+"]-l["+idx+"]+1: "+(h[idx] - l[idx] + 1));
                return h[idx] - l[idx] + 1;
            };
            break;
        default: get_node = function(){
                debug.log(1, "!!! Exception: get_node() returns null.");
                return null;
            };
            break;
    }

    worker.init();

    debug.log(6, "--* traverse_at() *--");

    var i;
    if (!wp){
        for (i=0; i<n; i++){
            worker.work(get_node(ae[i]));
        }    
    } else {
        for (i=0; i<n; i++){
            worker.work(get_node(ae[i]), wp);
        }
    }

    return worker.getResult();
}

sumKeeper = function(){
    var res = 0;
    return {
        init     : function(){ res = 0;},
        getResult: function(){
                debug.log(5, "@@ sumKeeper.getResult: returning: "+res);
                return res;
            },
        work     : function(node){ if (node!==null) res += node;}
    };
}();

maxPicker = function(){
    var res = null;
    return {
        init     : function(){ res = null;},
        getResult: function(){
                debug.log(5, "@@ maxPicker.getResult: returning: "+res);
                return res;
            },
        work     : function(node){
            if (res === null){ res = node;}
            else if (node!==null && node > res){ res = node;}
        }
    };    
}();

minPicker = function(){
    var res = null;
    return {
        init     : function(){ res = null;},
        getResult: function(){
                debug.log(5, "@@ minPicker.getResult: returning: ");
                debug.log(5, res);
                return res;
            },
        work     : function(node){
            if (res === null && node !== null){ res = node;}
            else if (node!==null &&
                node.val !==undefined &&
                node.val < res.val){ res = node; }
            else if (node!==null && node < res){ res = node;}
        }
    };  
}();

// find k-th smallest number in n sorted arrays;
// need to consider the case where some of the subarrays are taken out of the selection;
function kth_n(a, ae, k, h, l){
    var n = ae.length;
    debug.log(2, "------**  kth_n()  **-------");
    debug.log(2, "n: " +n+", k: " + k);
    debug.log(2, "ae: ["+ae+"],  len: "+ae.length);
    debug.log(2, "h: [" + h + "]");
    debug.log(2, "l: [" + l + "]");

    for (var i=0; i<n; i++){
        if (h[ae[i]]-l[ae[i]]+1>k) h[ae[i]]=l[ae[i]]+k-1;
    }
    debug.log(3, "--after reduction --");
    debug.log(3, "h: [" + h + "]");
    debug.log(3, "l: [" + l + "]");

    if (n === 1)
        return a[ae[0]][k-1]; 
    if (k === 1)
        return traverse_at(a, ae, h, l, k, "l", minPicker);
    if (k === traverse_at(a, ae, h, l, k, "s", sumKeeper))
        return traverse_at(a, ae, h, l, k, "h", maxPicker);

    var kn = traverse_at(a, ae, h, l, k, "k", minPicker);
    debug.log(3, "kn: ");
    debug.log(3, kn);

    var idx = kn.idx;
    debug.log(3, "last: k: "+k+", l["+kn.idx+"]: "+l[idx]);
    k -= kn.pos - l[idx] + 1;
    l[idx] = kn.pos + 1;
    debug.log(3, "next: "+"k: "+k+", l["+kn.idx+"]: "+l[idx]);
    if (h[idx]<l[idx]){ // all elements in a[idx] selected;
        //remove a[idx] from the arrays.
        debug.log(4, "All elements selected in a["+idx+"].");
        debug.log(5, "last ae: ["+ae+"]");
        ae.splice(ae.indexOf(idx), 1);
        h[idx] = l[idx] = "_"; // For display purpose only.
        debug.log(5, "next ae: ["+ae+"]");
    }

    return kth_n(a, ae, k, h, l);
}

function find_kth_in_arrays(a, k){

    if (!a || a.length<1 || k<1) throw "Mission Impossible!";

    var ae=[], h=[], l=[], n=0, s, ts=0;
    for (var i=0; i<a.length; i++){
        s = a[i] && a[i].length;
        if (s>0){
            ae.push(i); h.push(s-1); l.push(0);
            ts+=s;
        }
    }

    if (k>ts) throw "Too few elements to choose from!";

    return kth_n(a, ae, k, h, l);
}

/////////////////////////////////////////////////////
// tests
// To show everything: use 6.
debug.setLevel(1);

var a = [2, 3, 5, 7, 89, 223, 225, 667];
var b = [323, 555, 655, 673];
//var b = [99];
var c = [];

debug.log(1, "a = (len: " + a.length + ")");
debug.log(1, a);
debug.log(1, "b = (len: " + b.length + ")");
debug.log(1, b);

for (var k=1; k<a.length+b.length+1; k++){
    debug.log(1, "================== k: " + k + "=====================");

    if (k_largest(a, b, c, k) === 0 ){
      debug.log(1, "c = (len: "+c.length+")");
      debug.log(1, c);
    }

    try{
        result = kth(a, b, k, -1);
        debug.log(1, "===== The " + k + "-th largest number: " + result);
    } catch (e) {
        debug.log(0, "Error message from kth(): " + e);
    }
    debug.log("==================================================");
}

debug.log(1, "################# Now for the n sorted arrays ######################");
debug.log(1, "####################################################################");

x = [[1, 3, 5, 7, 9],
     [-2, 4, 6, 8, 10, 12],
     [8, 20, 33, 212, 310, 311, 623],
     [8],
     [0, 100, 700],
     [300],
     [],
     null];

debug.log(1, "x = (len: "+x.length+")");
debug.log(1, x);

for (var i=0, num=0; i<x.length; i++){
    if (x[i]!== null) num += x[i].length;
}
debug.log(1, "totoal number of elements: "+num);

// to test k in specific ranges:
var start = 0, end = 25;
for (k=start; k<end; k++){
    debug.log(1, "=========================== k: " + k + "===========================");

    try{
        result = find_kth_in_arrays(x, k);
        debug.log(1, "====== The " + k + "-th smallest number: " + result);
    } catch (e) {
        debug.log(1, "Error message from find_kth_in_arrays: " + e);
    }
    debug.log(1, "=================================================================");
}
debug.log(1, "x = (len: "+x.length+")");
debug.log(1, x);
debug.log(1, "totoal number of elements: "+num);

Полный код с утилитами отладки можно найти по адресу: https://github.com/brainclone/teasers/tree/master/kth

Вот мой код, основанный на решении Жюля Оллеона:

int getNth(vector<int>& v1, vector<int>& v2, int n)
{
    int step = n / 4;

    int i1 = n / 2;
    int i2 = n - i1;

    while(!(v2[i2] >= v1[i1 - 1] && v1[i1] > v2[i2 - 1]))
    {                   
        if (v1[i1 - 1] >= v2[i2 - 1])
        {
            i1 -= step;
            i2 += step;
        }
        else
        {
            i1 += step;
            i2 -= step;
        }

        step /= 2;
        if (!step) step = 1;
    }

    if (v1[i1 - 1] >= v2[i2 - 1])
        return v1[i1 - 1];
    else
        return v2[i2 - 1];
}

int main()  
{  
    int a1[] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9};
    int a2[] = {4,6,8,10,12};

    //int a1[] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9};
    //int a2[] = {4,6,8,10,12};

    //int a1[] = {1,7,9,10,30};
    //int a2[] = {3,5,8,11};
    vector<int> v1(a1, a1+9);
    vector<int> v2(a2, a2+5);


    cout << getNth(v1, v2, 5);
    return 0;  
}  

Вот моя реализация на C, вы можете обратиться к объяснениям алгоритма @Jules Olléon: идея алгоритма заключается в том, что мы поддерживаем i + j = k и находим такие i и j, чтобы a [i-1] <b [j-1] <a [i] (или наоборот). Теперь, поскольку в 'a' i элементов меньше, чем b [j-1], и j-1 элементов в 'b' меньше, чем b [j-1], b [j-1] является i + j-1 + 1 = k-й наименьший элемент. Чтобы найти такие i, j, алгоритм выполняет дихотомический поиск по массивам.

int find_k(int A[], int m, int B[], int n, int k) {
   if (m <= 0 )return B[k-1];
   else if (n <= 0) return A[k-1];
   int i =  ( m/double (m + n))  * (k-1);
   if (i < m-1 && i<k-1) ++i;
   int j = k - 1 - i;

   int Ai_1 = (i > 0) ? A[i-1] : INT_MIN, Ai = (i<m)?A[i]:INT_MAX;
   int Bj_1 = (j > 0) ? B[j-1] : INT_MIN, Bj = (j<n)?B[j]:INT_MAX;
   if (Ai >= Bj_1 && Ai <= Bj) {
       return Ai;
   } else if (Bj >= Ai_1 && Bj <= Ai) {
       return Bj;
   }
   if (Ai < Bj_1) { // the answer can't be within A[0,...,i]
       return find_k(A+i+1, m-i-1, B, n, j);
   } else { // the answer can't be within A[0,...,i]
       return find_k(A, m, B+j+1, n-j-1, i);
   }
 }

Вот мое решение. Код C ++ печатает k-е наименьшее значение, а также количество итераций для получения k-го наименьшего значения с помощью цикла, который, на мой взгляд, находится в порядке log (k). Однако код требует, чтобы k было меньше, чем длина первого массива, что является ограничением.

#include <iostream>
#include <vector>
#include<math.h>
using namespace std;

template<typename comparable>
comparable kthSmallest(vector<comparable> & a, vector<comparable> & b, int k){

int idx1; // Index in the first array a
int idx2; // Index in the second array b
comparable maxVal, minValPlus;
float iter = k;
int numIterations = 0;

if(k > a.size()){ // Checks if k is larger than the size of first array
    cout << " k is larger than the first array" << endl;
    return -1;
}
else{ // If all conditions are satisfied, initialize the indexes
    idx1 = k - 1;
    idx2 = -1;
}

for ( ; ; ){
    numIterations ++;
    if(idx2 == -1 || b[idx2] <= a[idx1] ){
        maxVal = a[idx1];
        minValPlus = b[idx2 + 1];
        idx1 = idx1 - ceil(iter/2); // Binary search
        idx2 = k - idx1 - 2; // Ensures sum of indices  = k - 2
    }
    else{
        maxVal = b[idx2];
        minValPlus = a[idx1 + 1];
        idx2 = idx2 - ceil(iter/2); // Binary search
        idx1 = k - idx2 - 2; // Ensures sum of indices  = k - 2
    }
    if(minValPlus >= maxVal){ // Check if kth smallest value has been found
        cout << "The number of iterations to find the " << k << "(th) smallest value is    " << numIterations << endl;
        return maxVal;

    }
    else
        iter/=2; // Reduce search space of binary search
   }
}

int main(){
//Test Cases
    vector<int> a = {2, 4, 9, 15, 22, 34, 45, 55, 62, 67, 78, 85};
    vector<int> b = {1, 3, 6, 8, 11, 13, 15, 20, 56, 67, 89};
    // Input k < a.size()
    int kthSmallestVal;
    for (int k = 1; k <= a.size() ; k++){
        kthSmallestVal = kthSmallest<int>( a ,b ,k );
        cout << k <<" (th) smallest Value is " << kthSmallestVal << endl << endl << endl;
    }
}

Первый псевдокод, представленный выше, не работает для многих значений. Например, вот два массива. int [] a = {1, 5, 6, 8, 9, 11, 15, 17, 19}; int [] b = {4, 7, 8, 13, 15, 18, 20, 24, 26};

В нем не работало при k = 3 и k = 9. У меня есть другое решение. Он приводится ниже.

private static void traverse(int pt, int len) {
int temp = 0;

if (len == 1) {
    int val = 0;
    while (k - (pt + 1) - 1 > -1 && M[pt] < N[k - (pt + 1) - 1]) {

    if (val == 0)
        val = M[pt] < N[k - (pt + 1) - 1] ? N[k - (pt + 1) - 1]
            : M[pt];
    else {
        int t = M[pt] < N[k - (pt + 1) - 1] ? N[k - (pt + 1) - 1]
            : M[pt];
        val = val < t ? val : t;

    }

    ++pt;
    }

    if (val == 0)
    val = M[pt] < N[k - (pt + 1) - 1] ? N[k - (pt + 1) - 1] : M[pt];

    System.out.println(val);
    return;
}

temp = len / 2;

if (M[pt + temp - 1] < N[k - (pt + temp) - 1]) {
    traverse(pt + temp, temp);

} else {
    traverse(pt, temp);
}

}

Но ... он также не работает для k = 5. Есть четный / нечетный улов k, который не позволяет ему быть простым.

public class KthSmallestInSortedArray {

    public static void main(String[] args) {
        int a1[] = {2, 3, 10, 11, 43, 56},
                a2[] = {120, 13, 14, 24, 34, 36},
                k = 4;

        System.out.println(findKthElement(a1, a2, k));

    }

    private static int findKthElement(int a1[], int a2[], int k) {

        /** Checking k must less than sum of length of both array **/
        if (a1.length + a2.length < k) {
            throw new IllegalArgumentException();
        }

        /** K must be greater than zero **/
        if (k <= 0) {
            throw new IllegalArgumentException();
        }

        /**
         * Finding begin, l and end such that
         * begin <= l < end
         * a1[0].....a1[l-1] and
         * a2[0]....a2[k-l-1] are the smallest k numbers
         */
        int begin = Math.max(0, k - a2.length);
        int end = Math.min(a1.length, k);

        while (begin < end) {
            int l = begin + (end - begin) / 2;

            /** Can we include a1[l] in the k smallest numbers */
            if ((l < a1.length) &&
                    (k - l > 0) &&
                    (a1[l] < a2[k - l - 1])) {

                begin = l + 1;

            } else if ((l > 0) &&
                    (k - l < a2.length) &&
                    (a1[l - 1] > a2[k - 1])) {

                /**
                 * This is the case where we can discard
                 * a[l-1] from the set of k smallest numbers
                 */
                end = l;

            } else {

                /**
                 * We found our answer since both inequalities were
                 * false
                 */
                begin = l;
                break;
            }
        }

        if (begin == 0) {
            return a2[k - 1];
        } else if (begin == k) {
            return a1[k - 1];
        } else {
            return Math.max(a1[begin - 1], a2[k - begin - 1]);
        }
    }
}

Вот мое решение на java. Постараюсь еще больше оптимизировать

  public class FindKLargestTwoSortedArray {

    public static void main(String[] args) {
        int[] arr1 = { 10, 20, 40, 80 };
        int[] arr2 = { 15, 35, 50, 75 };

    FindKLargestTwoSortedArray(arr1, 0, arr1.length - 1, arr2, 0,
            arr2.length - 1, 6);
    }


    public static void FindKLargestTwoSortedArray(int[] arr1, int start1,
            int end1, int[] arr2, int start2, int end2, int k) {

        if ((start1 <= end1 && start1 >= 0 && end1 < arr1.length)
                && (start2 <= end2 && start2 >= 0 && end2 < arr2.length)) {

            int midIndex1 = (start1 + (k - 1) / 2);
            midIndex1 = midIndex1 >= arr1.length ? arr1.length - 1 : midIndex1;
            int midIndex2 = (start2 + (k - 1) / 2);
            midIndex2 = midIndex2 >= arr2.length ? arr2.length - 1 : midIndex2;


            if (arr1[midIndex1] == arr2[midIndex2]) {
                System.out.println("element is " + arr1[midIndex1]);
            } else if (arr1[midIndex1] < arr2[midIndex2]) {

                if (k == 1) {
                    System.out.println("element is " + arr1[midIndex1]);
                    return;
                } else if (k == 2) {
                    System.out.println("element is " + arr2[midIndex2]);
                    return;
                }else if (midIndex1 == arr1.length-1 || midIndex2 == arr2.length-1 ) {
                    if(k==(arr1.length+arr2.length)){
                    System.out.println("element is " + arr2[midIndex2]);
                    return;
                    }else if(k==(arr1.length+arr2.length)-1){
                        System.out.println("element is " + arr1[midIndex1]);
                        return;
                    }

                }

                int remainingElementToSearch = k - (midIndex1-start1);
                FindKLargestTwoSortedArray(
                        arr1,
                        midIndex1,
                        (midIndex1 + remainingElementToSearch) >= arr1.length ? arr1.length-1
                                : (midIndex1 + remainingElementToSearch), arr2,
                        start2, midIndex2, remainingElementToSearch);

            } else if (arr1[midIndex1] > arr2[midIndex2]) {
                FindKLargestTwoSortedArray(arr2, start2, end2, arr1, start1,
                        end1, k);
            }

        } else {
            return;
        }

    }
}

Это вдохновлено Algo в замечательном видео на YouTube.

Ссылка на сложность кода (log (n) + log (m))

Ссылка на код (log (n) * log (m))

Реализация решения (log (n) + log (m))

Я хотел бы добавить свое объяснение к проблеме. Это классическая проблема, когда мы должны использовать тот факт, что два массива отсортированы. нам даны два отсортированных массива arr1 размера sz1 и arr2 размера sz2

а) Предположим, если

Проверка правильности k

k> (sz1 + sz2)

тогда мы не можем найти k-й наименьший элемент в объединении обоих отсортированных массивов ryt Итак, верните неверные данные. б) Теперь, если вышеупомянутое условие выполнено false и у нас есть действительное и допустимое значение k,

Управление крайними случаями

Мы добавим оба массива значениями -infinity спереди и значениями + infinity в конце, чтобы охватить крайние случаи k = 1,2 и k = (sz1 + sz2-1), (sz1 + sz2) и т. Д.

Теперь оба массива имеют размер (sz1 + 2) и (sz2 + 2) соответственно.

Основной алгоритм

Теперь мы выполним двоичный поиск по arr1. Мы выполним двоичный поиск по arr1 в поисках индекса i, startIndex <= i <= endIndex

такой, что если мы найдем соответствующий индекс j в arr2, используя ограничение {(i + j) = k}, то если

если (arr2 [j-1] <arr1 [i] <arr2 [j]) , то arr1 [i] является k-м наименьшим (случай 1)

иначе, если (arr1 [i-1] <arr2 [j] <arr1 [i]) , то arr2 [i] является k-м наименьшим (случай 2)

else означает либо arr1 [i] <arr2 [j-1] <arr2 [j] (Case3)

или arr2 [j-1] <arr2 [j] <arr1 [i] (Case4)

Поскольку мы знаем, что k-й наименьший элемент имеет (k-1) элементов меньше, чем он в объединении обоих массивов ryt? Так,

В случае 1 , что мы сделали, мы обеспечили наличие в общей сложности (k-1) меньших элементов для arr1 [i], потому что элементы меньше, чем arr1 [i] в ​​массиве arr1, имеют количество i-1, чем мы знаем (arr2 [ j-1] <arr1 [i] <arr2 [j]), а количество элементов меньше arr1 [i] в ​​arr2 равно j-1, поскольку j находится с использованием (i-1) + (j-1) = (k -1) Таким образом, k-й наименьший элемент будет arr1 [i]

Но ответ может не всегда поступать из первого массива, то есть arr1, поэтому мы проверили case2, который также удовлетворяет аналогично случаю 1, потому что (i-1) + (j-1) = (k-1). Теперь, если у нас есть (arr1 [i-1] <arr2 [j] <arr1 [i]), у нас есть всего k-1 элементов, меньших, чем arr2 [j] в объединении обоих массивов, так что это k-й наименьший элемент.

В случае 3 , чтобы преобразовать его в любой из случаев 1 или 2, нам нужно увеличить i, и j будет найдено в соответствии с использованием ограничения {(i + j) = k}, т.е. при двоичном поиске перейти в правую часть, т.е. сделать startIndex = middleIndex

В случае 4 , чтобы преобразовать его в любой из случаев 1 или 2, нам нужно уменьшить i, и j будет найден в соответствии с использованием ограничения {(i + j) = k}, т.е. при двоичном поиске перейти в левую часть, т.е. сделать endIndex = middleIndex .

Теперь, как определить startIndex и endIndex в начале двоичного поиска по arr1 с startindex = 1 и endIndex = ??. Нам нужно решить.

Если k> sz1, endIndex = (sz1 + 1), иначе endIndex = k;

Поскольку, если k больше, чем размер первого массива, нам может потребоваться выполнить двоичный поиск по всему массиву arr1, иначе нам нужно взять только первые k его элементов, потому что элементы sz1-k никогда не могут участвовать в вычислении k-го наименьшего.

КОД показан ниже

// Complexity    O(log(n)+log(m))

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
#define f(i,x,y) for(int i = (x);i < (y);++i)
#define F(i,x,y) for(int i = (x);i > (y);--i)
int max(int a,int b){return (a > b?a:b);}
int min(int a,int b){return (a < b?a:b);}
int mod(int a){return (a > 0?a:((-1)*(a)));}
#define INF 1000000




int func(int *arr1,int *arr2,int sz1,int sz2,int k)

{

if((k <= (sz1+sz2))&&(k > 0))

{
int s = 1,e,i,j;
if(k > sz1)e = sz1+1;
else e = k;
while((e-s)>1)
{
  i = (e+s)/2;
  j = ((k-1)-(i-1)); 
  j++;
  if(j > (sz2+1)){s = i;}
  else if((arr1[i] >= arr2[j-1])&&(arr1[i] <= arr2[j]))return arr1[i];
  else if((arr2[j] >= arr1[i-1])&&(arr2[j] <= arr1[i]))return arr2[j];
  else if(arr1[i] < arr2[j-1]){s = i;}
  else if(arr1[i] > arr2[j]){e = i;}
  else {;}
}
i = e,j = ((k-1)-(i-1));j++;
if((arr1[i] >= arr2[j-1])&&(arr1[i] <= arr2[j]))return arr1[i];
else if((arr2[j] >= arr1[i-1])&&(arr2[j] <= arr1[i]))return arr2[j];
else
{
  i = s,j = ((k-1)-(i-1));j++;
  if((arr1[i] >= arr2[j-1])&&(arr1[i] <= arr2[j]))return arr1[i];
  else return arr2[j];
}

  }

 else

{
cout << "Data Invalid" << endl;
return -INF;

}

}





int main()

{
int n,m,k;
cin >> n >> m >> k;
int arr1[n+2];
int arr2[m+2];
f(i,1,n+1)
cin >> arr1[i];
f(i,1,m+1)
cin >> arr2[i];
arr1[0] = -INF;
arr2[0] = -INF;
  arr1[n+1] = +INF;  
arr2[m+1] = +INF; 
int val = func(arr1,arr2,n,m,k);
if(val != -INF)cout << val << endl;   
return 0;

}

Для решения сложности (log (n) * log (m))

Просто я упустил преимущество того факта, что для каждого i j можно найти с помощью ограничения {(i-1) + (j-1) = (k-1)} Таким образом, для каждого ii дополнительно применялся двоичный поиск по второму массиву найти j такое, что arr2 [j] <= arr1 [i]. Таким образом, это решение может быть дополнительно оптимизировано

По сути, с помощью этого подхода вы можете отбрасывать k / 2 элементов на каждом шаге. K будет рекурсивно изменяться от k => k / 2 => k / 4 => ... до тех пор, пока не достигнет 1. Таким образом, сложность времени равна O (logk)

При k = 1 мы получаем самый низкий из двух массивов.

Следующий код находится на JAVA. Обратите внимание, что мы вычитаем 1 (-1) в коде из индексов, потому что индекс массива Java начинается с 0, а не с 1, например. k = 3 представлен элементом во 2-м индексе массива.

private int kthElement(int[] arr1, int[] arr2, int k) {
        if (k < 1 || k > (arr1.length + arr2.length))
            return -1;
        return helper(arr1, 0, arr1.length - 1, arr2, 0, arr2.length - 1, k);
    }


private int helper(int[] arr1, int low1, int high1, int[] arr2, int low2, int high2, int k) {
    if (low1 > high1) {
        return arr2[low2 + k - 1];
    } else if (low2 > high2) {
        return arr1[low1 + k - 1];
    }
    if (k == 1) {
        return Math.min(arr1[low1], arr2[low2]);
    }
    int i = Math.min(low1 + k / 2, high1 + 1);
    int j = Math.min(low2 + k / 2, high2 + 1);
    if (arr1[i - 1] > arr2[j - 1]) {
        return helper(arr1, low1, high1, arr2, j, high2, k - (j - low2));
    } else {
        return helper(arr1, i, high1, arr2, low2, high2, k - (i - low1));
    }
}

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

int findKthElement(int a[],int start1,int end1,int b[],int start2,int end2,int k){

    if(start1 >= end1)return b[start2+k-1];
    if(start2 >= end2)return a[start1+k-1];
    if(k==1)return min(a[start1],b[start2]);
    int aMax = INT_MAX;
    int bMax = INT_MAX;
    if(start1+k/2-1 < end1) aMax = a[start1 + k/2 - 1];
    if(start2+k/2-1 < end2) bMax = b[start2 + k/2 - 1];

    if(aMax > bMax){
        return findKthElement(a,start1,end1,b,start2+k/2,end2,k-k/2);
    }
    else{
        return findKthElement(a,start1 + k/2,end1,b,start2,end2,k-k/2);
    }
}

int main(void){
    int t;
    scanf("%d",&t);
    while(t--){
        int n,m,k;
        cout<<"Enter the size of 1st Array"<<endl;
        cin>>n;
        int arr[n];
        cout<<"Enter the Element of 1st Array"<<endl;
        for(int i = 0;i<n;i++){
            cin>>arr[i];
        }
        cout<<"Enter the size of 2nd Array"<<endl;
        cin>>m;
        int arr1[m];
        cout<<"Enter the Element of 2nd Array"<<endl;
        for(int i = 0;i<m;i++){
            cin>>arr1[i];
        }
        cout<<"Enter The Value of K";
        cin>>k;
        sort(arr,arr+n);
        sort(arr1,arr1+m);
        cout<<findKthElement(arr,0,n,arr1,0,m,k)<<endl;
    }

    return 0;
}

Время Complexcity равно O (log (min (n, m)))

Большинство ответов, которые я нашел здесь, касаются обоих массивов. Хотя это хорошо, но его сложнее реализовать, так как есть много крайних случаев, о которых нам нужно позаботиться. Кроме того, большинство реализаций являются рекурсивными, что увеличивает пространственную сложность стека рекурсии. Поэтому вместо того, чтобы сосредотачиваться на обоих массивах, я решил просто сосредоточиться на меньшем массиве и выполнить двоичный поиск только на меньшем массиве и настроить указатель для второго массива на основе значения указателя в первом массиве. В следующей реализации мы получаем сложность O(log(min(n,m))с O(1)пространственной сложностью.

    public static int kth_two_sorted(int []a, int b[],int k){
    if(a.length > b.length){
        return kth_two_sorted(b,a,k);
    }
    if(a.length + a.length < k){
        throw new RuntimeException("wrong argument");
    }
    int low = 0;
    int high = k;
    if(a.length <= k){
        high = a.length-1;
    }
    while(low <= high){
        int sizeA = low+(high - low)/2;
        int sizeB = k - sizeA;
        boolean shrinkLeft = false;
        boolean extendRight = false;
        if(sizeA != 0){
            if(sizeB !=b.length){
                if(a[sizeA-1] > b[sizeB]){
                    shrinkLeft = true;
                    high = sizeA-1;
                }
            }
        }
        if(sizeA!=a.length){
            if(sizeB!=0){
                if(a[sizeA] < b[sizeB-1]){
                    extendRight = true;
                    low = sizeA;
                }
            }
        }
        if(!shrinkLeft && !extendRight){
            return Math.max(a[sizeA-1],b[sizeB-1]) ;
        }
    }
    throw  new IllegalArgumentException("we can't be here");
}

У нас есть диапазон [low, high]для массива, aи мы сужаем его по мере прохождения алгоритма. sizeAпоказывает, сколько элементов из kэлементов находится в массиве, aи является производным от значения lowи high. sizeBто же определение, за исключением того, что мы вычисляем значение таким образом, чтобы sizeA+sizeB=k. На основе значений на этих двух границах делается вывод, что мы должны расширить до правой стороны в массиве aили сжать до левой стороны. если мы застряли в той же позиции, это означает, что мы нашли решение и вернем максимальное количество значений в позиции sizeA-1from aи sizeB-1from b.

Проверьте этот код.

import math
def findkthsmallest():

    A=[1,5,10,22,30,35,75,125,150,175,200]
    B=[15,16,20,22,25,30,100,155,160,170]
    lM=0
    lN=0
    hM=len(A)-1
    hN=len(B)-1
    k=17

    while True:
        if k==1:
            return min(A[lM],B[lN])


        cM=hM-lM+1
        cN=hN-lN+1
        tmp = cM/float(cM+cN)
        iM=int(math.ceil(tmp*k))
        iN=k-iM
        iM=lM+iM-1
        iN=lN+iN-1
        if A[iM] >= B[iN]:
            if iN == hN or A[iM] < B[iN+1]:
                return A[iM]
            else:
                k = k - (iN-lN+1)
                lN=iN+1
                hM=iM-1
        if B[iN] >= A[iM]:
            if iM == hM or B[iN] < A[iM+1]:
                return B[iN]
            else:
                k = k - (iM-lM+1)
                lM=iM+1
                hN=iN-1
        if hM < lM:
            return B[lN+k-1]
        if hN < lN:
            return A[lM+k-1]

if __name__ == '__main__':
    print findkthsmallest();

Ниже кода C # для поиска k-го наименьшего элемента в объединении двух отсортированных массивов. Сложность времени: O (logk)

        public static int findKthSmallestElement1(int[] A, int startA, int endA, int[] B, int startB, int endB, int k)
        {
            int n = endA - startA;
            int m = endB - startB;

            if (n <= 0)
                return B[startB + k - 1];
            if (m <= 0)
                return A[startA + k - 1];
            if (k == 1)
                return A[startA] < B[startB] ? A[startA] : B[startB];

            int midA = (startA + endA) / 2;
            int midB = (startB + endB) / 2;

            if (A[midA] <= B[midB])
            {
                if (n / 2 + m / 2 + 1 >= k)
                    return findKthSmallestElement1(A, startA, endA, B, startB, midB, k);
                else
                    return findKthSmallestElement1(A, midA + 1, endA, B, startB, endB, k - n / 2 - 1);
            }
            else
            {
                if (n / 2 + m / 2 + 1 >= k)
                    return findKthSmallestElement1(A, startA, midA, B, startB, endB, k);
                else
                    return findKthSmallestElement1(A, startA, endA, B, midB + 1, endB, k - m / 2 - 1);

            }
        }