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Programación 1: búsquedas y ordenamientos

Este documento trata sobre algoritmos de búsqueda y ordenamiento. Explica la búsqueda secuencial, la búsqueda binaria y tres algoritmos de ordenamiento: burbuja, selección e inserción. También analiza la eficiencia de estos algoritmos en términos del número de comparaciones requeridas, concluyendo que la búsqueda binaria es más eficiente que la secuencial al requerir O(log n) comparaciones en el peor caso.

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B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usqueda binaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes B´usquedas y Ordenamientos Docentes de Programaci´on Editado por Angel V´azquez-Pati˜no angel.vazquezp@ucuenca.edu.ec Departamento de Ciencias de la Computaci´on Universidad de Cuenca 19 de septiembre de 2017 1 / 53
B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usqueda binaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Objetivos 1. Entender los algoritmos de b´usqueda 2. Entender los algoritmos de ordenamiento 3. Conocer el concepto de eficiencia 4. Tener una idea intuitiva de la eficiencia de los algoritmos estudiados 2 / 53
B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usqueda binaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Contenido Algoritmos de b´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usqueda binaria Eficiencia Algoritmos de ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de ordenamiento de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Ordenamiento de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Fuentes 3 / 53
B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usqueda binaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Utilidad I Uno de los usos m´as frecuentes de los computadores es la b´usqueda de informaci´on en estructuras de datos. La eficiencia de la b´usqueda depende de si la estructura est´a o no ordenada. E.g., diccionario Tome un diccionario y b´usque la palabra mundo. Para encontrarla, ir´a directamente a la secci´on de palabras que comienzan con m. Luego buscar´a tomando la siguiente letra de la palabra (u), luego la n y as´ı sucesivamente. Esto lo puede hacer porque el diccionario se encuentra ordenado (b´usqueda binaria) 4 / 53
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B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usqueda binaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes B´usqueda binaria o dicot´omica III M´etodo de b´usqueda binaria 1. V´ıdeo 1: https://youtu.be/7qv1An90q2Q 2. V´ıdeo 2: https://youtu.be/7oa1qEPLFps 10 / 53
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B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usqueda binaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Eficiencia: b´usqueda binaria I En el mejor caso se encontrar´a el valor en el elemento del medio (una comparaci´on). Se har´a el an´alisis para el peor caso. Inicialmente el n´umero de elementos a analizar es n. Tras la primera divisi´on, el n´umero de elementos que queda por analizar es, como mucho, n/2 (pues nos hemos quedado con la mitad de elementos); tras la segunda divisi´on, el n´umero de elementos que queda ser´a, como mucho, n/4; y as´ı sucesivamente. Por lo general, tras la divisi´on n´umero i, el n´umero de elementos por analizar ser´a, como mucho, n 2i 16 / 53
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B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usqueda binaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Algoritmo de selecci´on II Intercambios El n´umero de intercambios i(n) tambi´en es fijo. T´engase en cuenta que la instrucci´on de intercambio siempre se ejecuta. i(n) = n Definition (mejor caso) Si el arreglo est´a previamente ordenado. Definition (peor caso) Si el arreglo est´a previamente ordenado en orden inverso. 46 / 53
B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usqueda binaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Algoritmo de selecci´on III sea cual sea el arreglo, y el orden de sus elementos, lo que implica en todos los casos un coste lineal: O(i(n)) = n la cota ajustada asint´otica del n´umero de intercambios es lineal, del orden de n. La f´ormula que representa el rendimiento del algoritmo, viene dada por c(n) = n2 + n 2 47 / 53
B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usqueda binaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Algoritmo de inserci´on I Eficiencia Depende del n´umero de comparaciones y del n´umero de copias que el algoritmo requiere. Comparaciones En la primera pasada, se compara un m´aximo de un ´ıtem. En la segunda pasada, se compara un m´aximo de dos ´ıtems, y as´ı hasta un m´aximo de n − 1 comparaciones en la ´ultima pasada. Esto es 1 + 2 + 3 + . . . + (n − 1) = n × (n − 1) 2 48 / 53
B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usqueda binaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Algoritmo de inserci´on II Sin embargo, ya que en cada pasada un promedio de solamente la mitad del n´umero m´aximo de ´ıtems son realmente comparados antes de que se encuentre el punto de inserci´on, se puede dividir este n´umero entre dos, lo que da n × (n − 1) 4 N´umero de copias 49 / 53
B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usqueda binaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Algoritmo de inserci´on III El n´umero de copias es aproximadamente el mismo que el n´umero de comparaciones. Sin embargo, una copia no consume tanto tiempo como un intercambio, as´ı que para datos aleatorios este algoritmo corre dos veces m´as r´apido que el algoritmo de burbuja y m´as r´apido que el algoritmo de selecci´on. En cualquier caso, el algoritmo de inserci´on corre en O(n2 ) en tiempo para datos aleatorios. 50 / 53
B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usqueda binaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Algoritmo de inserci´on IV Para datos que est´an ya ordenados o casi ordenados, el algoritmo de inserci´on es mejor. Cuando los datos est´an en orden, la condici´on en el while nunca es verdadera, lo que ejecuta n-1 veces. En este caso el algoritmo corre en O(n) en tiempo. Si los datos est´an casi ordenados, el algoritmo corre casi en O(n) en tiempo, lo que lo hace una manera simple y eficiente para ordenar un archivo que est´a s´olo un poco fuera de orden. Sin embargo, para datos que est´an en orden inverso, toda posible comparaci´on y desplazamiento se lleva a cabo, as´ı que el algoritmo no corre m´as r´apido que el algoritmo de burbuja. 51 / 53
B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usqueda binaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Algoritmo de inserci´on V Revise eso utilizando la opci´on reverse-sorted en el applet InsertSort Workshop (http://cs.brynmawr.edu/Courses/cs206/ spring2004/lafore.html). 52 / 53
B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usqueda binaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Fuentes Libros • Lafore, R., 2003. Data structures & algorithms in Java, 2nd ed. Sams, Indianapolis, USA. Cap´ıtulos 2 y 3. (Disponible en la biblioteca) • Deitel, P.J., Deitel, H.M., 2012. Java: How to Program, 9th ed. Prentice Hall, Upper Saddle River, N.J. Cap´ıtulo 19. (Disponible en la biblioteca) 53 / 53

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Programación 1: búsquedas y ordenamientos

  • 1.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes B´usquedas y Ordenamientos Docentes de Programaci´on Editado por Angel V´azquez-Pati˜no angel.vazquezp@ucuenca.edu.ec Departamento de Ciencias de la Computaci´on Universidad de Cuenca 19 de septiembre de 2017 1 / 53
  • 2.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Objetivos 1. Entender los algoritmos de b´usqueda 2. Entender los algoritmos de ordenamiento 3. Conocer el concepto de eficiencia 4. Tener una idea intuitiva de la eficiencia de los algoritmos estudiados 2 / 53
  • 3.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Contenido Algoritmos de b´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usqueda binaria Eficiencia Algoritmos de ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de ordenamiento de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Ordenamiento de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Fuentes 3 / 53
  • 4.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Utilidad I Uno de los usos m´as frecuentes de los computadores es la b´usqueda de informaci´on en estructuras de datos. La eficiencia de la b´usqueda depende de si la estructura est´a o no ordenada. E.g., diccionario Tome un diccionario y b´usque la palabra mundo. Para encontrarla, ir´a directamente a la secci´on de palabras que comienzan con m. Luego buscar´a tomando la siguiente letra de la palabra (u), luego la n y as´ı sucesivamente. Esto lo puede hacer porque el diccionario se encuentra ordenado (b´usqueda binaria) 4 / 53
  • 5.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Utilidad II Si el diccionario no estuviera ordenado se podr´ıa tambi´en buscar la palabra recorriendo cada una de las hojas y revisando cada una de las palabras que se encuentren en esa hoja. Esto tardar´ıa mucho m´as (menos eficiencia)(b´usqueda secuencial) Los tipos de b´usquedas a estudiar tienen semejanza con los ejemplos dados 5 / 53
  • 6.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes B´usqueda secuencial o lineal 1. Consiste en empezar desde el inicio del arreglo e ir a trav´es de cada elemento hasta encontrar el valor buscado o hasta llegar al final 2. El arreglo no requiere estar ordenado B´usqueda secuencial en arreglos 1. V´ıdeo: https://youtu.be/W3ClRnYb0KM 6 / 53
  • 7.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Algoritmo 7 / 53
  • 8.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes B´usqueda binaria o dicot´omica I Condiciones 1. La estructura debe estar ordenada (ascendente o descendentemente) 2. Conocer el n´umero de elementos de la estructura 8 / 53
  • 9.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes B´usqueda binaria o dicot´omica II Algoritmo (orden ascendente) 1. Se compara el valor buscado con el valor localizado al centro del arreglo 2. Si el valor buscado es localizado, se termina la b´usqueda 3. Si el valor buscado es menor que el analizado, repetir proceso en la mitad inferior, sino en la mitad superior 4. El proceso de partir por la mitad la estructura se repite hasta encontrar el valor o hasta que el tama˜no de la estructura restante sea cero (i.e., valor no encontrado) 9 / 53
  • 10.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes B´usqueda binaria o dicot´omica III M´etodo de b´usqueda binaria 1. V´ıdeo 1: https://youtu.be/7qv1An90q2Q 2. V´ıdeo 2: https://youtu.be/7oa1qEPLFps 10 / 53
  • 11.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Algoritmo 11 / 53
  • 12.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Ejercicios Dado el conjunto de n´umeros 23, 12, 44, 9, 3, 8, 1, 7, 0, 2, 4, 55 indique el n´umero de comparaciones que se deben hacer para encontrar el n´umero 1 utilizando b´usqueda secuencial. Tome el conjunto de n´umeros dados y utilize la b´usqueda binaria para encontrar el n´umero 1. Indique el n´umero de comparaciones realizadas. Revise los ejercicios propuestos en el documento de Ejercicios B´asicos de Programaci´on. 12 / 53
  • 13.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Eficiencia ¿En qu´e sentido un algoritmo de b´usqueda es m´as eficiente que otro? 13 / 53
  • 14.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Eficiencia ¿En qu´e sentido un algoritmo de b´usqueda es m´as eficiente que otro? ¡Comparaciones! 14 / 53
  • 15.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Eficiencia: b´usqueda secuencial En el mejor caso se encontrar´a el valor en el primer elemento. En el peor caso se har´an n comparaciones. El orden de complejidad en el peor caso ser´ıa O(n). 15 / 53
  • 16.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Eficiencia: b´usqueda binaria I En el mejor caso se encontrar´a el valor en el elemento del medio (una comparaci´on). Se har´a el an´alisis para el peor caso. Inicialmente el n´umero de elementos a analizar es n. Tras la primera divisi´on, el n´umero de elementos que queda por analizar es, como mucho, n/2 (pues nos hemos quedado con la mitad de elementos); tras la segunda divisi´on, el n´umero de elementos que queda ser´a, como mucho, n/4; y as´ı sucesivamente. Por lo general, tras la divisi´on n´umero i, el n´umero de elementos por analizar ser´a, como mucho, n 2i 16 / 53
  • 17.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Eficiencia: b´usqueda binaria II El peor caso se da cuando el elemento a buscar no se encuentra en el vector (es decir, cuando tras dividir los elementos por analizar nos quedemos con un n´umero menor a 1). Por lo tanto, el n´umero m´aximo de divisiones a realizar es el menor n´umero m tal que n 2m < 1 Transformando esta f´ormula a un logaritmo en base 2: n < 2m log2 n < m es decir, que el n´umero m depende, no del tama˜no n del arreglo, sino del logaritmo de dicho n. 17 / 53
  • 18.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Eficiencia: b´usqueda binaria III Es por esto que el algoritmo de b´usqueda binaria tiene una complejidad de orden logar´ıtmico O(log2n). 18 / 53
  • 19.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Eficiencia: b´usqueda secuencial vs binaria 19 / 53
  • 20.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Algoritmos de ordenamiento Definition (Ordenamiento) Reorganizar elementos de tal manera que cumplan con un criterio establecido. e1 < e2 < e3 . . . < en → Ascendente e1 > e2 > e3 . . . > en → Descendente 20 / 53
  • 21.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Utilidad Los datos ordenados son f´aciles de encontrar, esto implica menos operaciones y menos tiempo (eficiencia). Existen varios algoritmos de ordenamiento que, dependiendo de la estrategia, servir´an en mayor o menor grado para ordenar elementos. Que un algoritmo sea ingenioso, en este contexto, significa que ordena el conjunto desordenado con el menor n´umero posible de comparaciones e intercambios. 21 / 53
  • 22.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Clasificaci´on de los algoritmos de ordenamiento De acuerdo a la memoria utilizada Internos: cuando la memoria RAM es suficiente para el procesamiento Externos: cuando hace falta enviar cantidades de informaci´on desde la memoria RAM a disco duro. Esto puede repetirse varias veces De acuerdo a la estrategia utilizada B´asicos: burbuja, selecci´on e inserci´on Eficientes: shell sort, quick sort, radix sort, merge sort, heap sort, etc. 22 / 53
  • 23.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Ordenamiento de burbuja I Idea Tomar el elemento de mayor valor de un arreglo y llevarlo al final (ordenamiento ascendente); y esto repetirlo a todos los elementos Porqu´e del nombre Alguien se imagin´o que el elemento que se va desplazando es como si una burbuja subiera desde el fondo del agua 23 / 53
  • 24.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Ordenamiento de burbuja II Estrategia 1. Recorrer el arreglo desde el elemento 0 con un iterador i. 2. En cada paso preguntar si el elemento i+1 es menor al elemento i (ordenamiento ascendente). Si es as´ı, se intercambian los elementos. 3. As´ı, el elemento mayor quedar´a en el ´ındice mayor 4. Una vez que se llegue al ´ultimo elemento del arreglo, se comienza de nuevo con el paso 1. 5. Se repite hasta que no haya ning´un intercambio de elementos. Algoritmo de burbuja 24 / 53
  • 25.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Ordenamiento de burbuja III 1. V´ıdeo: https://youtu.be/L3d48etbseY Pseudoc´odigo 1: for i = 1 hasta n do 2: for j = 0 hasta n-i do 3: if arreglo[j] > arreglo[j+1] then 4: intercambiar(arreglo[j], arreglo[j+1]); 5: end if 6: end for 7: end for 25 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Ejemplo, ordenamiento de burbuja Orden ascendente 26 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Ejercicios Usando el m´etodo de la burbuja, ordene descendentemente el siguiente conjunto de n´umeros: 9, 3, 8, 1, 7, 0, 2, 4. Indique el n´umero de pasadas realizadas. Usando el m´etodo de la burbuja, ordene ascendentemente el siguiente conjunto de n´umeros: 8, 2, 99, 21, 45, 9, 23. Indique el n´umero de pasadas realizadas. Revise los ejercicios propuestos en el documento de Ejercicios B´asicos de Programaci´on. 27 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Algoritmo de selecci´on I Estrategia 1. Se busca el menor de todos los elementos y se le ubica en la primera posici´on del arreglo. 2. Se busca el menor de entre los elementos que quedan y se lo intercambia con el primer elemento del arreglo que queda. 3. Se repite el proceso para todos los elementos del arreglo. Algoritmo de selecci´on 1. V´ıdeo 1: https://youtu.be/l0YwcUJB3vo 2. V´ıdeo 2: https://youtu.be/KCvr7eHXEHE 28 / 53
  • 29.
    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Algoritmo de selecci´on II Pseudoc´odigo 1: for i = 0 hasta n-2 do 2: m´ınimo = i; 3: for j = i+1 hasta n-1 do 4: if arreglo[j] < arreglo[m´ınimo] then 5: m´ınimo = j; 6: end if 7: end for 8: intercambiar(arreglo[i], arreglo[m´ınimo]); 9: end for 29 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Ejemplo, algoritmo de selecci´on Orden ascendente 30 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Ejercicios 1. Ordene, ascendentemente y descendentemente, usando el algoritmo de selecci´on, el siguiente conjunto de n´umeros: 6, 2, 11, 23, 1, 5, 4. Indique el n´umero de pasadas realizadas. 2. Ordene, ascendentemente y descendentemente, usando el algoritmo de selecci´on, el siguiente conjunto de letras: K, M, S, C, E, W, P, Q . Indique el n´umero de pasadas realizadas. 3. Revise los ejercicios propuestos en el documento de Ejercicios B´asicos de Programaci´on. 31 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Algoritmo de inserci´on I Estrategia 1. Se toma el primer elemento del arreglo como el primer elemento de lo que llamaremos el arreglo ordenado. 2. Se toma el pr´oximo n´umero del arreglo y se compara con los elementos del arreglo ordenado, hasta encontrar su posici´on. 3. Se repite el proceso para todos los elementos del arreglo. Algoritmo de inserci´on 32 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Algoritmo de inserci´on II 1. V´ıdeo 1: https://youtu.be/5kVQ8kf52K4 2. V´ıdeo 2: https://youtu.be/a7g7Z5dMdgQ Pseudoc´odigo 1: for i = 1 hasta n-1 do 2: j = i; 3: while j > 0 and arreglo[j-1] > arreglo[j] do 4: intercambiar(arreglo[j], arreglo[j-1]); 5: j = j-1; 6: end while 7: end for 33 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Ejemplo, algoritmo de inserci´on Orden ascendente 34 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Ejercicios 1. Ordene, ascendentemente y descendentemente, usando inserci´on, el siguiente conjunto de n´umeros: 8, 3, 2, 9, 10, 7, 1, 4, 5. Indique las pasadas realizadas. 2. Ordene, ascendentemente y descendentemente, usando inserci´on, el siguiente conjunto de letras: J, M, A, E, W, Q, P, R, M, B,X. Indique el n´umero de pasadas realizadas. 3. Revise los ejercicios propuestos en el documento de Ejercicios B´asicos de Programaci´on. 35 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Eficiencia ¿En qu´e sentido un algoritmo de ordenamiento es m´as eficiente que otro? 36 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Eficiencia ¿En qu´e sentido un algoritmo de ordenamiento es m´as eficiente que otro? ¡Comparaciones e intercambios! 37 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Ordenamiento de burbuja I Comparaciones Para ordenar un arreglo de n elementos, el n´umero de comparaciones siempre es: c(n) = (n −1)+(n −2)+· · ·+2+1 = n × (n − 1) 2 c(n) no depende del orden de los t´erminos, sino del n´umero de t´erminos: O(c(n)) = n2 Por lo tanto la cota ajustada asint´otica del n´umero de comparaciones pertenece al orden de n cuadrado. 38 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Ordenamiento de burbuja II Intercambios 39 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Ordenamiento de burbuja III El n´umero de intercambios i(n), que hay que realizar depende del orden de los t´erminos y podemos diferenciar el mejor y peor caso. Definition (mejor caso) Si el arreglo est´a previamente ordenado. Definition (peor caso) Si el arreglo est´a previamente ordenado en orden inverso. Se puede determinar una cota ajustada asint´otica del n´umero de intercambios, dado que ´este depender´a del orden del vector en cuesti´on. O(i(n)) =? 40 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Ordenamiento de burbuja: peor caso I Si se pasa al algoritmo un arreglo ordenado en orden inverso realizar´a un n´umero de comparaciones c(n) = n2 − n 2 y tendr´a que realizar un n´umero igual de intercambios entre los t´erminos del arreglo, dado que en cada comparaci´on los t´erminos estar´an desordenados, y se realizar´a el intercambio. i(n) = n2 − n 2 Por lo tanto en el caso m´as desfavorable tanto el n´umero de comparaciones como el de intercambios coinciden: 41 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Ordenamiento de burbuja: peor caso II O(c(n)) = O(i(n)) = n2 El n´umero de comparaciones y de intercambios, en el peor caso, pertenece al orden de n cuadrado. 42 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Ordenamiento de burbuja: mejor caso I En el mejor caso el n´umero de comparaciones ser´a el mismo que en cualquier otro caso: Ω(c(n)) = n2 La cota inferior asint´otica del n´umero de comparaciones pertenece al orden de n cuadrado, como en los dem´as casos, pero en todas las comparaciones el orden es el correcto y por tanto no se realiza ning´un intercambio: i(n) = 0 Por lo tanto el coste de intercambios no depende de n, y es constante: Ω(i(n)) = 1 43 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Ordenamiento de burbuja: mejor caso II A tener en cuenta El ordenamiento de burbuja tiene una complejidad Ω(n2 ) igual que el algoritmo de selecci´on. Cuando un arreglo ya est´a ordenado, a diferencia del algoritmo de inserci´on, que pasar´a por el arreglo una vez y encontrar´a que no hay necesidad de intercambiar las posiciones de los elementos, el ordenamiento de burbuja est´a forzado a pasar por dichas comparaciones, esto hace que su complejidad sea cuadr´atica, incluso en el mejor de los casos. El ordenamiento de burbuja se cataloga como el algoritmo m´as ineficiente que existe. 44 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Algoritmo de selecci´on I Comparaciones Para ordenar un arreglo de n elementos, el n´umero de comparaciones siempre es: c(n) = (n −1)+(n −2)+· · ·+2+1 = n × (n − 1) 2 c(n) no depende del orden de los t´erminos, sino del n´umero de t´erminos. O(c(n)) = n2 Por lo tanto la cota ajustada asint´otica del n´umero de comparaciones pertenece al orden de n cuadrado. 45 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Algoritmo de selecci´on II Intercambios El n´umero de intercambios i(n) tambi´en es fijo. T´engase en cuenta que la instrucci´on de intercambio siempre se ejecuta. i(n) = n Definition (mejor caso) Si el arreglo est´a previamente ordenado. Definition (peor caso) Si el arreglo est´a previamente ordenado en orden inverso. 46 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Algoritmo de selecci´on III sea cual sea el arreglo, y el orden de sus elementos, lo que implica en todos los casos un coste lineal: O(i(n)) = n la cota ajustada asint´otica del n´umero de intercambios es lineal, del orden de n. La f´ormula que representa el rendimiento del algoritmo, viene dada por c(n) = n2 + n 2 47 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Algoritmo de inserci´on I Eficiencia Depende del n´umero de comparaciones y del n´umero de copias que el algoritmo requiere. Comparaciones En la primera pasada, se compara un m´aximo de un ´ıtem. En la segunda pasada, se compara un m´aximo de dos ´ıtems, y as´ı hasta un m´aximo de n − 1 comparaciones en la ´ultima pasada. Esto es 1 + 2 + 3 + . . . + (n − 1) = n × (n − 1) 2 48 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Algoritmo de inserci´on II Sin embargo, ya que en cada pasada un promedio de solamente la mitad del n´umero m´aximo de ´ıtems son realmente comparados antes de que se encuentre el punto de inserci´on, se puede dividir este n´umero entre dos, lo que da n × (n − 1) 4 N´umero de copias 49 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Algoritmo de inserci´on III El n´umero de copias es aproximadamente el mismo que el n´umero de comparaciones. Sin embargo, una copia no consume tanto tiempo como un intercambio, as´ı que para datos aleatorios este algoritmo corre dos veces m´as r´apido que el algoritmo de burbuja y m´as r´apido que el algoritmo de selecci´on. En cualquier caso, el algoritmo de inserci´on corre en O(n2 ) en tiempo para datos aleatorios. 50 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Algoritmo de inserci´on IV Para datos que est´an ya ordenados o casi ordenados, el algoritmo de inserci´on es mejor. Cuando los datos est´an en orden, la condici´on en el while nunca es verdadera, lo que ejecuta n-1 veces. En este caso el algoritmo corre en O(n) en tiempo. Si los datos est´an casi ordenados, el algoritmo corre casi en O(n) en tiempo, lo que lo hace una manera simple y eficiente para ordenar un archivo que est´a s´olo un poco fuera de orden. Sin embargo, para datos que est´an en orden inverso, toda posible comparaci´on y desplazamiento se lleva a cabo, as´ı que el algoritmo no corre m´as r´apido que el algoritmo de burbuja. 51 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Algoritmo de inserci´on V Revise eso utilizando la opci´on reverse-sorted en el applet InsertSort Workshop (http://cs.brynmawr.edu/Courses/cs206/ spring2004/lafore.html). 52 / 53
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    B´usquedas y Ordenamientos Angel V´azquez-Pati˜no B´usqueda Utilidad B´usqueda secuencial B´usquedabinaria Eficiencia Ordenamiento Utilidad Clasificaci´on Algoritmo de burbuja Algoritmo de selecci´on Algoritmo de inserci´on Eficiencia Burbuja Selecci´on Inserci´on Fuentes Fuentes Libros • Lafore, R., 2003. Data structures & algorithms in Java, 2nd ed. Sams, Indianapolis, USA. Cap´ıtulos 2 y 3. (Disponible en la biblioteca) • Deitel, P.J., Deitel, H.M., 2012. Java: How to Program, 9th ed. Prentice Hall, Upper Saddle River, N.J. Cap´ıtulo 19. (Disponible en la biblioteca) 53 / 53