详解js数组的完全随机排列算法(2)

function quickSort(arr, compare){ arr = arr.slice(0); if(arr.length <= 1) return arr; var mid = arr[0], rest = arr.slice(1); var left = [], right = []; for(var i = 0; i < rest.length; i++){ if(compare(rest[i], mid) > 0){ right.push(rest[i]); }else{ left.push(rest[i]); } } return quickSort(left, compare).concat([mid]) .concat(quickSort(right, compare)); } function shuffle(arr){ return quickSort(arr, function(){ return Math.random() - 0.5; }); } var arr = [0,1,2,3,4,5,6,7,8,9]; var res = [0,0,0,0,0,0,0,0,0,0]; var t = 10000; for(var i = 0; i < t; i++){ var sorted = shuffle(arr.slice(0)); sorted.forEach(function(o,i){ res[i] += o; }); } res = res.map(function(o){ return o / t; }); console.log(res);

快速排序并没有两两元素进行比较,它的概率分布也不随机。

所以我们可以得出结论,用 Array.prototype.sort 随机交换的方式来随机排列数组,得到的结果并不一定随机,而是取决于排序算法是如何实现的,用 JavaScript 内置的排序算法这么排序,通常肯定是不完全随机的

经典的随机排列

所有空间复杂度 O(1) 的排序算法的时间复杂度都介于 O(nlogn) 到 O(n2) 之间,因此在不考虑算法结果错误的前提下,使用排序来随机交换也是慢的。事实上,随机排列数组元素有经典的 O(n) 复杂度的算法:

function shuffle(arr){ var len = arr.length; for(var i = 0; i < len - 1; i++){ var idx = Math.floor(Math.random() * (len - i)); var temp = arr[idx]; arr[idx] = arr[len - i - 1]; arr[len - i -1] = temp; } return arr; }

在上面的算法里,我们每一次循环从前 len - i 个元素里随机一个位置,将这个元素和第 len - i 个元素进行交换,迭代直到 i = len - 1 为止。

详解js数组的完全随机排列算法

详解js数组的完全随机排列算法

详解js数组的完全随机排列算法

详解js数组的完全随机排列算法

详解js数组的完全随机排列算法

我们同样可以检验一下这个算法的随机性:

function shuffle(arr){ var len = arr.length; for(var i = 0; i < len - 1; i++){ var idx = Math.floor(Math.random() * (len - i)); var temp = arr[idx]; arr[idx] = arr[len - i - 1]; arr[len - i -1] = temp; } return arr; } var arr = [0,1,2,3,4,5,6,7,8,9]; var res = [0,0,0,0,0,0,0,0,0,0]; var t = 10000; for(var i = 0; i < t; i++){ var sorted = shuffle(arr.slice(0)); sorted.forEach(function(o,i){ res[i] += o; }); } res = res.map(function(o){ return o / t; }); console.log(res);

从结果可以看出这个算法的随机结果应该是均匀的。不过我们的测试方法其实有个小小的问题,我们只测试了平均值,实际上平均值接近只是均匀分布的必要而非充分条件,平均值接近不一定就是均匀分布。不过别担心,事实上我们可以简单从数学上证明这个算法的随机性。

随机性的数学归纳法证明

对 n 个数进行随机:

首先我们考虑 n = 2 的情况,根据算法,显然有 1/2 的概率两个数交换,有 1/2 的概率两个数不交换,因此对 n = 2 的情况,元素出现在每个位置的概率都是 1/2,满足随机性要求。

假设有 i 个数, i >= 2 时,算法随机性符合要求,即每个数出现在 i 个位置上每个位置的概率都是 1/i。

对于 i + 1 个数,按照我们的算法,在第一次循环时,每个数都有 1/(i+1) 的概率被交换到最末尾,所以每个元素出现在最末一位的概率都是 1/(i+1) 。而每个数也都有 i/(i+1) 的概率不被交换到最末尾,如果不被交换,从第二次循环开始还原成 i 个数随机,根据 2. 的假设,它们出现在 i 个位置的概率是 1/i。因此每个数出现在前 i 位任意一位的概率是 (i/(i+1)) * (1/i) = 1/(i+1),也是 1/(i+1)。

综合 1. 2. 3. 得出,对于任意 n >= 2,经过这个算法,每个元素出现在 n 个位置任意一个位置的概率都是 1/n。

总结

一个优秀的算法要同时满足结果正确和高效率。很不幸使用 Array.prototype.sort 方法这两个条件都不满足。因此,当我们需要实现类似洗牌的功能的时候,还是应该采用巧妙的经典洗牌算法,它不仅仅具有完全随机性还有很高的效率。

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