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插值搜尋演算法
插值搜尋是二分搜尋的一種改進變體。這種搜尋演算法基於所需值的探測位置。為了使該演算法正常工作,資料集合應以排序且均勻分佈的形式存在。
二分搜尋在時間複雜度方面相較於線性搜尋具有巨大優勢。線性搜尋的最壞情況複雜度為 Ο(n),而二分搜尋為 Ο(log n)。
在某些情況下,目標資料的儲存位置可以提前知道。例如,在電話簿中,如果我們想搜尋“Morpheus”的電話號碼。在這裡,線性搜尋甚至二分搜尋都會顯得緩慢,因為我們可以直接跳轉到儲存以'M'開頭的名稱的記憶體空間。
二分搜尋中的定位
在二分搜尋中,如果未找到所需資料,則其餘列表將被分成兩部分,較低部分和較高部分。搜尋將在其中一個部分進行。
即使資料已排序,二分搜尋也不會利用探測所需資料位置的優勢。
插值搜尋中的位置探測
插值搜尋透過計算探測位置來查詢特定項。最初,探測位置是集合中最中間項的位置。

如果找到匹配項,則返回該項的索引。為了將列表分成兩部分,我們使用以下方法:
$$mid\, =\, Lo\, +\, \frac{\left ( Hi\, -\, Lo \right )\ast \left ( X\, -\, A\left [ Lo \right ] \right )}{A\left [ Hi \right ]\, -\, A\left [ Lo \right ]}$$
其中:
A = list Lo = Lowest index of the list Hi = Highest index of the list A[n] = Value stored at index n in the list
如果中間項大於該項,則在中間項右側的子陣列中再次計算探測位置。否則,在中間項左側的子陣列中搜索該項。此過程也將在子陣列上繼續,直到子陣列的大小減小到零。
插值搜尋演算法
由於它是現有 BST 演算法的改進,因此我們提到了使用位置探測搜尋“目標”資料值索引的步驟:
1. Start searching data from middle of the list. 2. If it is a match, return the index of the item, and exit. 3. If it is not a match, probe position. 4. Divide the list using probing formula and find the new middle. 5. If data is greater than middle, search in higher sub-list. 6. If data is smaller than middle, search in lower sub-list. 7. Repeat until match.
虛擬碼
A → Array list
N → Size of A
X → Target Value
Procedure Interpolation_Search()
Set Lo → 0
Set Mid → -1
Set Hi → N-1
While X does not match
if Lo equals to Hi OR A[Lo] equals to A[Hi]
EXIT: Failure, Target not found
end if
Set Mid = Lo + ((Hi - Lo) / (A[Hi] - A[Lo])) * (X - A[Lo])
if A[Mid] = X
EXIT: Success, Target found at Mid
else
if A[Mid] < X
Set Lo to Mid+1
else if A[Mid] > X
Set Hi to Mid-1
end if
end if
End While
End Procedure
分析
插值搜尋演算法的執行時複雜度為 Ο(log (log n)),而在有利情況下,BST 的執行時複雜度為 Ο(log n)。
示例
為了理解插值搜尋中涉及的逐步過程,讓我們看一個示例並圍繞它進行操作。
考慮下面給出的已排序元素陣列:
讓我們搜尋元素 19。
解決方案
與二分搜尋不同,在這種方法中,中間點是使用以下公式選擇的:
$$mid\, =\, Lo\, +\, \frac{\left ( Hi\, -\, Lo \right )\ast \left ( X\, -\, A\left [ Lo \right ] \right )}{A\left [ Hi \right ]\, -\, A\left [ Lo \right ]}$$
因此,在此給定的陣列輸入中,
Lo = 0, A[Lo] = 10 Hi = 9, A[Hi] = 44 X = 19
應用公式查詢列表中的中間點,我們得到
$$mid\, =\, 0\, +\, \frac{\left ( 9\, -\, 0 \right )\ast \left ( 19\, -\, 10 \right )}{44\, -\, 10}$$
$$mid\, =\, \frac{9\ast 9}{34}$$
$$mid\, =\, \frac{81}{34}\,=\,2.38$$
由於 mid 是索引值,因此我們只考慮小數的整數部分。即,mid = 2。
將給定的鍵元素(即 19)與存在於中間索引處的元素進行比較,發現這兩個元素匹配。
因此,該元素位於索引 2 處。
實現
插值搜尋是二分搜尋的一種改進變體。這種搜尋演算法基於所需值的探測位置。為了使該演算法正常工作,資料集合應以排序且均勻分佈的形式存在。
#include<stdio.h>
#define MAX 10
// array of items on which linear search will be conducted.
int list[MAX] = { 10, 14, 19, 26, 27, 31, 33, 35, 42, 44 };
int interpolation_search(int data){
int lo = 0;
int hi = MAX - 1;
int mid = -1;
int comparisons = 1;
int index = -1;
while(lo <= hi) {
printf("Comparison %d \n" , comparisons ) ;
printf("lo : %d, list[%d] = %d\n", lo, lo, list[lo]);
printf("hi : %d, list[%d] = %d\n", hi, hi, list[hi]);
comparisons++;
// probe the mid point
mid = lo + (((double)(hi - lo) / (list[hi] - list[lo])) * (data - list[lo]));
printf("mid = %d\n",mid);
// data found
if(list[mid] == data) {
index = mid;
break;
} else {
if(list[mid] < data) {
// if data is larger, data is in upper half
lo = mid + 1;
} else {
// if data is smaller, data is in lower half
hi = mid - 1;
}
}
}
printf("Total comparisons made: %d", --comparisons);
return index;
}
int main(){
//find location of 33
int location = interpolation_search(33);
// if element was found
if(location != -1)
printf("\nElement found at location: %d" ,(location+1));
else
printf("Element not found.");
return 0;
}
輸出
Comparison 1 lo : 0, list[0] = 10 hi : 9, list[9] = 44 mid = 6 Total comparisons made: 1 Element found at location: 7
#include<iostream>
using namespace std;
#define MAX 10
// array of items on which linear search will be conducted.
int list[MAX] = { 10, 14, 19, 26, 27, 31, 33, 35, 42, 44 };
int interpolation_search(int data){
int lo = 0;
int hi = MAX - 1;
int mid = -1;
int comparisons = 1;
int index = -1;
while(lo <= hi) {
cout << "Comparison " << comparisons << endl;
cout << "lo : " << lo << " list[" << lo << "] = " << list[lo] << endl;
cout << "hi : " << hi << " list[" << hi << "] = " << list[hi] << endl;
comparisons++;
// probe the mid point
mid = lo + (((double)(hi - lo) / (list[hi] - list[lo])) * (data - list[lo]));
cout << "mid = " << mid;
// data found
if(list[mid] == data) {
index = mid;
break;
} else {
if(list[mid] < data) {
// if data is larger, data is in upper half
lo = mid + 1;
} else {
// if data is smaller, data is in lower half
hi = mid - 1;
}
}
}
cout << "\nTotal comparisons made: " << (--comparisons);
return index;
}
int main(){
//find location of 33
int location = interpolation_search(33);
// if element was found
if(location != -1)
cout << "\nElement found at location: " << (location+1);
else
cout << "Element not found.";
return 0;
}
輸出
Comparison 1 lo : 0 list[0] = 10 hi : 9 list[9] = 44 mid = 6 Total comparisons made: 1 Element found at location: 7
import java.io.*;
public class InterpolationSearch {
static int interpolation_search(int data, int[] list) {
int lo = 0;
int hi = list.length - 1;
int mid = -1;
int comparisons = 1;
int index = -1;
while(lo <= hi) {
System.out.println("Comparison " + comparisons);
System.out.println("lo : " + lo + " list[" + lo + "] = " + list[lo]);
System.out.println("hi : " + hi + " list[" + hi + "] = " + list[hi]);
comparisons++;
// probe the mid point
mid = lo + (((hi - lo) * (data - list[lo])) / (list[hi] - list[lo]));
System.out.println("mid = " + mid);
// data found
if(list[mid] == data) {
index = mid;
break;
} else {
if(list[mid] < data) {
// if data is larger, data is in upper half
lo = mid + 1;
} else {
// if data is smaller, data is in lower half
hi = mid - 1;
}
}
}
System.out.println("Total comparisons made: " + (--comparisons));
return index;
}
public static void main(String args[]) {
int[] list = { 10, 14, 19, 26, 27, 31, 33, 35, 42, 44 };
//find location of 33
int location = interpolation_search(33, list);
// if element was found
if(location != -1)
System.out.println("Element found at location: " + (location+1));
else
System.out.println("Element not found.");
}
}
輸出
Comparison 1 lo : 0 list[0] = 10 hi : 9 list[9] = 44 mid = 6 Total comparisons made: 1 Element found at location: 7
def interpolation_search( data, arr):
lo = 0
hi = len(arr) - 1
mid = -1
comparisons = 1
index = -1
while(lo <= hi):
print("Comparison ", comparisons)
print("lo : ", lo)
print("list[", lo, "] = ")
print(arr[lo])
print("hi : ", hi)
print("list[", hi, "] = ")
print(arr[hi])
comparisons = comparisons + 1
#probe the mid point
mid = lo + (((hi - lo) * (data - arr[lo])) // (arr[hi] - arr[lo]))
print("mid = ", mid)
#data found
if(arr[mid] == data):
index = mid
break
else:
if(arr[mid] < data):
#if data is larger, data is in upper half
lo = mid + 1
else:
#if data is smaller, data is in lower half
hi = mid - 1
print("Total comparisons made: ")
print(comparisons-1)
return index
arr = [10, 14, 19, 26, 27, 31, 33, 35, 42, 44]
#find location of 33
location = interpolation_search(33, arr)
#if element was found
if(location != -1):
print("Element found at location: ", (location+1))
else:
print("Element not found.")
輸出
Comparison 1 lo : 0 list[ 0 ] = 10 hi : 9 list[ 9 ] = 44 mid = 6 Total comparisons made: 1 Element found at location: 7