【颜色分类--荷兰国旗问题】
问题
给定一个包含红色、白色和蓝色、共 n 个元素的数组 nums ，
原地 对它们进行排序，使得相同颜色的元素相邻，并按照红色、白色、蓝色顺序排列。我们使用整数 0、 1 和 2 分别表示红色、白色和蓝色。必须在不使用库内置的 sort 函数的情况下解决这个问题。思路
荷兰国旗问题荷兰国旗问题的解决方案，这个问题是由高德纳提出的，因此也被称为“高德纳排序”或“三向切分快速排序”。这个问题的关键在于，我们有三个颜色的元素，而不是两个，
这就需要我们在遍历数组时，维护三个指针：
一个指向红色元素应该放置的位置（red），
一个指向当前遍历的位置（current），
以及一个指向蓝色元素应该放置的位置（blue）。以下是解决这个问题的步骤：
初始化三个指针：
red 指向数组的开始，current 也指向数组的开始，blue 指向数组的末尾。遍历数组，从 current 开始，直到 current 等于 blue。如果 nums[current] 为 0（红色），则交换 nums[red] 和 nums[current]，然后 red 和 current 都向前移动一位。如果 nums[current] 为 1（白色），则 current 向前移动一位。如果 nums[current] 为 2（蓝色），则交换 nums[blue] 和 nums[current]，然后 blue 向后移动一位。
重复步骤 2，直到 current 等于 blue。这种方法不需要额外的存储空间，因为我们在原地对数组进行排序，且时间复杂度为 O(n)。算法
class Solution:def sortColors(self, nums: list[int]) -> None:red, current, blue = 0, 0, len(nums) - 1while current <= blue:if nums[current] == 0:nums[red], nums[current] = nums[current], nums[red]red += 1current += 1elif nums[current] == 1:current += 1else: # 也就是nums[current] == 2nums[blue], nums[current] = nums[current], nums[blue]blue -= 1# 示例
if __name__ == '__main__':nums = [2, 0, 2, 1, 1, 0]Solution().sortColors(nums)print(nums) # 输出: [0, 0, 1, 1, 2, 2]时间和空间复杂度
因为它只需要遍历数组一次。空间复杂度是 O(1)，因为只使用了常量额外空间。举例：通过一个具体的例子 `[1, 2, 0]` 来解释荷兰国旗排序算法的应用过程，并通过图形来展示每一步的变化。### 初始状态
数组为 `[1, 2, 0]`，我们有三个指针：`red` 指向 0，`current` 指向 0，`blue` 指向 2。### 第一步
- `current` 指向 1（白色），不满足任何条件，`current` 移动到下一个位置。
- 状态变为 `[1, 2, 0]`，`current` 指向 2。### 第二步
- `current` 指向 2（蓝色），触发 `else` 分支，交换 `nums[blue]` 和 `nums[current]`。
- 交换后，数组变为 `[1, 0, 2]`，`blue` 向左移动，`current` 不动。### 第三步
- `current` 仍然指向 0（红色），触发 `if` 分支，交换 `nums[red]` 和 `nums[current]`。
- 交换后，数组变为 `[0, 1, 2]`，`red` 和 `current` 都向右移动。### 结束条件
- `current` 已经越过 `blue`，循环结束。最终，数组被排序为 `[0, 1, 2]`，红色、白色、蓝色元素按顺序排列。通过这种方式，我们可以看到数组是如何通过维护三个指针来实现原地排序的。这种方法的时间复杂度是 O(n)，因为它只需要遍历数组一次。空间复杂度是 O(1)，因为只使用了常量额外空间。
疑惑
1、为什么是 while current <= blue:，而不是 while red <= blue?回答：在荷兰国旗排序问题中，使用 `while current <= blue:` 而不是 `while red <= blue:` 的原因是我们需要确保在遍历数组时，`current` 指针能够正确地处理所有三种颜色的元素（红色、白色和蓝色），并且能够正确地与 `red` 和 `blue` 指针交互。这里是为什么使用 `while current <= blue:` 的原因：1. **`current` 指针的作用**：`current` 指针用于遍历数组中的每个元素。它从数组的开始位置（索引 0）开始，一直移动到数组的末尾（索引 `len(nums) - 1`）。2. **处理所有颜色**：`current` 指针需要检查数组中的每个元素，并根据元素的颜色（0、1 或 2）进行相应的操作。如果元素是红色（0），则与 `red` 指针指向的元素交换；如果元素是蓝色（2），则与 `blue` 指针指向的元素交换；如果元素是白色（1），则不需要交换，`current` 指针直接向前移动。3. **维护 `red` 和 `blue` 指针**：`red` 指针用于跟踪下一个红色元素应该放置的位置，而 `blue` 指针用于跟踪下一个蓝色元素应该放置的位置。这两个指针分别从数组的两端向中间移动，确保红色和蓝色元素被正确地放置在数组的两端。4. **避免重复检查**：如果使用 `while red <= blue:`，那么在某些情况下，`current` 指针可能会跳过一些元素，导致算法无法正确地处理所有元素。例如，如果 `current` 指针在 `red` 和 `blue` 之间，那么这些元素将不会被检查和排序。5. **确保稳定性**：使用 `while current <= blue:` 可以确保算法在一次遍历中完成排序，这是原地排序算法的一个重要特性。它保证了算法的时间复杂度为 O(n)，并且不需要额外的存储空间。综上所述，使用 `while current <= blue:` 可以确保算法正确、高效地对数组进行排序，同时满足原地排序的要求。2、为什么不对白色元素维护指针呢回答：在荷兰国旗问题中，确实不需要为白色元素维护一个专门的指针，原因如下：1. **白色元素的自然排序**：在这个问题中，白色元素（用数字1表示）是介于红色元素（用数字0表示）和蓝色元素（用数字2表示）之间的。通过维护红色和蓝色元素的指针，我们可以确保所有红色元素都在白色元素的前面，所有蓝色元素都在白色元素的后面。这样，白色元素自然会被“挤压”到中间的位置。2. **简化问题**：通过只关注红色和蓝色元素，我们可以将问题简化为两个部分：将红色元素移动到数组的前面，将蓝色元素移动到数组的后面。白色元素不需要额外的操作，它们会自动填充剩余的空间。3. **减少复杂性**：如果为每种颜色都维护一个指针，算法的复杂性会增加，因为需要处理更多的指针移动和元素交换。在荷兰国旗问题中，通过只使用两个指针，我们可以保持算法的简洁性和高效性。4. **算法效率**：在荷兰国旗问题中，我们的目标是尽量减少元素交换的次数，以提高算法的效率。由于白色元素不需要特定的排序操作，它们可以自然地填充在红色和蓝色元素之间，这有助于减少不必要的交换。5. **空间复杂度**：题目要求使用常量额外空间，这意味着我们不能使用额外的数组或数据结构来存储元素。通过只使用两个指针，我们满足了这一要求。综上所述，不对白色元素维护指针是因为在荷兰国旗问题中，白色元素可以自然地排序在红色和蓝色元素之间，这样做可以简化算法，提高效率，并且满足空间复杂度的要求。3、 荷兰国旗问题中，如何确定红色和蓝色元素的边界？回答：在荷兰国旗问题中，确定红色和蓝色元素的边界是通过使用两个指针来实现的，这两个指针分别从数组的两端向中间移动。这里是一个详细的步骤说明：1. **初始化指针**：- `red` 指针初始化在数组的起始位置，即 `red = 0`。- `blue` 指针初始化在数组的末尾位置，即 `blue = len(nums) - 1`。- `current` 指针用于遍历数组，初始化在数组的起始位置，即 `current = 0`。2. **遍历数组**：- 从 `current` 指针开始，遍历数组直到 `current` 达到 `blue` 指针的位置。- 在遍历过程中，根据 `nums[current]` 的值来决定如何移动指针。3. **处理红色元素**：- 如果 `nums[current]` 的值为 0（代表红色），则需要将 `current` 位置的元素与 `red` 位置的元素交换。- 交换后，`red` 指针向右移动一位（`red++`），`current` 指针也向右移动一位（`current++`）。4. **处理白色元素**：- 如果 `nums[current]` 的值为 1（代表白色），不需要进行交换，只需将 `current` 指针向右移动一位（`current++`）。5. **处理蓝色元素**：- 如果 `nums[current]` 的值为 2（代表蓝色），则需要将 `current` 位置的元素与 `blue` 位置的元素交换。- 交换后，`blue` 指针向左移动一位（`blue--`），但 `current` 指针不移动，因为我们需要重新检查交换后的元素。6. **循环条件**：- 循环继续，直到 `current` 指针超过 `blue` 指针。这是因为在最坏的情况下，所有元素都可能是同一种颜色，导致 `current` 需要遍历整个数组。7. **结束条件**：- 当 `current` 指针超过 `blue` 指针时，循环结束。此时，所有红色元素都在 `red` 指针的左边，所有蓝色元素都在 `blue` 指针的右边，中间的元素都是白色的。通过这种方法，我们可以确保红色和蓝色元素的边界被正确地确定，而不需要额外的空间。这种算法的时间复杂度是 O(n)，因为它只需要遍历数组一次。学习
1、初始时，red 指向数组的开头，white 也指向数组的开头，blue 指向数组的结尾。应该写为：red, current, blue = 0, 0, len(nums) - 1 #这个意思是 nums[0] = nums[red]、nums[white], 指针指向的是索引，所以指针就是角标2、结尾这个：else :nums[current], nums[blue] = nums[blue], nums[current]blue -= 1current += 1不能再 current += 1这样会换多了相关文章：
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