Подсчет инверсий в массиве

Я разрабатываю алгоритм, чтобы сделать следующее: Для заданного массива A[1... n]для каждого i < jнайти все пары инверсии, такие что A[i] > A[j]. Я использую сортировку слиянием и копирую массив A в массив B, а затем сравниваю два массива, но мне трудно понять, как я могу использовать это, чтобы найти количество инверсий. Будем очень признательны за любые подсказки или помощь.

Итак, вот решение O (n log n) в java.

long merge(int[] arr, int[] left, int[] right) {
    int i = 0, j = 0, count = 0;
    while (i < left.length || j < right.length) {
        if (i == left.length) {
            arr[i+j] = right[j];
            j++;
        } else if (j == right.length) {
            arr[i+j] = left[i];
            i++;
        } else if (left[i] <= right[j]) {
            arr[i+j] = left[i];
            i++;                
        } else {
            arr[i+j] = right[j];
            count += left.length-i;
            j++;
        }
    }
    return count;
}

long invCount(int[] arr) {
    if (arr.length < 2)
        return 0;

    int m = (arr.length + 1) / 2;
    int left[] = Arrays.copyOfRange(arr, 0, m);
    int right[] = Arrays.copyOfRange(arr, m, arr.length);

    return invCount(left) + invCount(right) + merge(arr, left, right);
}

Это почти обычная сортировка слиянием, вся магия скрыта в функции слияния. Обратите внимание, что при сортировке алгоритм убирает инверсии. Алгоритм при слиянии считает количество удаленных инверсий (можно сказать разобрано).

Единственный момент, когда инверсии удаляются, - это когда алгоритм берет элемент с правой стороны массива и объединяет его с основным массивом. Количество инверсий, удаляемых этой операцией, равно количеству элементов, оставшихся от левого массива, которые необходимо объединить. :)

Надеюсь, это достаточно объяснительно.

Я нашел его за время O (n * log n) следующим способом.

1. Объединить массив сортировки A и создать копию (массив B)

2. Возьмите A [1] и найдите его позицию в отсортированном массиве B с помощью двоичного поиска. Количество инверсий для этого элемента будет на единицу меньше, чем порядковый номер его позиции в B, поскольку каждое меньшее число, которое появляется после первого элемента A, будет инверсией.

   2а. накапливает количество инверсий для счетчика переменной num_inversions.

   2b. удалить A [1] из массива A, а также из соответствующей позиции в массиве B

3. повторите с шага 2, пока в A не останется больше элементов.

Вот пример запуска этого алгоритма. Исходный массив A = (6, 9, 1, 14, 8, 12, 3, 2)

1: объединить сортировку и скопировать в массив B

В = (1, 2, 3, 6, 8, 9, 12, 14)

2: Возьмите A [1] и выполните двоичный поиск, чтобы найти его в массиве B

A [1] = 6

В = (1, 2, 3, 6 , 8, 9, 12, 14)

6 находится в 4-й позиции массива B, поэтому есть 3 инверсии. Мы знаем это, потому что 6 было на первой позиции в массиве A, поэтому любой элемент с более низким значением, который впоследствии появляется в массиве A, будет иметь индекс j> i (поскольку i в этом случае равен 1).

2.b: Удалить A [1] из массива A, а также из соответствующей позиции в массиве B (жирные элементы удаляются).

A = ( 6, 9, 1, 14, 8, 12, 3, 2) = (9, 1, 14, 8, 12, 3, 2)

В = (1, 2, 3, 6, 8, 9, 12, 14) = (1, 2, 3, 8, 9, 12, 14)

3: Повторите попытку с шага 2 на новых массивах A и B.

A [1] = 9

В = (1, 2, 3, 8, 9, 12, 14)

9 теперь находится на 5-й позиции массива B, поэтому есть 4 инверсии. Мы знаем это, потому что 9 было на первой позиции в массиве A, поэтому любой элемент с более низким значением, который появляется впоследствии, будет иметь индекс j> i (поскольку i в этом случае снова равен 1). Удалите A [1] из массива A, а также из соответствующей позиции в массиве B (жирные элементы удаляются)

A = ( 9 , 1, 14, 8, 12, 3, 2) = (1, 14, 8, 12, 3, 2)

В = (1, 2, 3, 8, 9 , 12, 14) = (1, 2, 3, 8, 12, 14)

Продолжение в этом ключе даст нам общее количество инверсий для массива A после завершения цикла.

Для выполнения шага 1 (сортировка слиянием) потребуется O (n * log n). Шаг 2 будет выполняться n раз, и при каждом выполнении будет выполняться двоичный поиск, для выполнения которого требуется O (log n), всего O (n * log n). Таким образом, общее время работы будет O (n * log n) + O (n * log n) = O (n * log n).

Спасибо за вашу помощь. Запись массивов образцов на листе бумаги действительно помогла визуализировать проблему.

В Python

# O(n log n)

def count_inversion(lst):
    return merge_count_inversion(lst)[1]

def merge_count_inversion(lst):
    if len(lst) <= 1:
        return lst, 0
    middle = int( len(lst) / 2 )
    left, a = merge_count_inversion(lst[:middle])
    right, b = merge_count_inversion(lst[middle:])
    result, c = merge_count_split_inversion(left, right)
    return result, (a + b + c)

def merge_count_split_inversion(left, right):
    result = []
    count = 0
    i, j = 0, 0
    left_len = len(left)
    while i < left_len and j < len(right):
        if left[i] <= right[j]:
            result.append(left[i])
            i += 1
        else:
            result.append(right[j])
            count += left_len - i
            j += 1
    result += left[i:]
    result += right[j:]
    return result, count        


#test code
input_array_1 = []  #0
input_array_2 = [1] #0
input_array_3 = [1, 5]  #0
input_array_4 = [4, 1] #1
input_array_5 = [4, 1, 2, 3, 9] #3
input_array_6 = [4, 1, 3, 2, 9, 5]  #5
input_array_7 = [4, 1, 3, 2, 9, 1]  #8

print count_inversion(input_array_1)
print count_inversion(input_array_2)
print count_inversion(input_array_3)
print count_inversion(input_array_4)
print count_inversion(input_array_5)
print count_inversion(input_array_6)
print count_inversion(input_array_7)

Интересно, почему еще никто не упомянул деревья с двоичной индексацией . Вы можете использовать один для поддержания сумм префиксов для значений ваших элементов перестановки. Затем вы можете просто перейти справа налево и подсчитать для каждого элемента количество элементов, меньшее, чем справа:

def count_inversions(a):
  res = 0
  counts = [0]*(len(a)+1)
  rank = { v : i+1 for i, v in enumerate(sorted(a)) }
  for x in reversed(a):
    i = rank[x] - 1
    while i:
      res += counts[i]
      i -= i & -i
    i = rank[x]
    while i <= len(a):
      counts[i] += 1
      i += i & -i
  return res

Сложность составляет O (n log n), а постоянный коэффициент очень низкий.

На самом деле у меня был вопрос, похожий на этот, для домашнего задания. Я был ограничен, что он должен иметь эффективность O (nlogn).

Я воспользовался предложенной вами идеей использования Mergesort, поскольку она уже имеет правильную эффективность. Я просто вставил некоторый код в функцию слияния, которая была в основном: всякий раз, когда число из массива справа добавляется к выходному массиву, я добавляю к общему количеству инверсий количество чисел, оставшихся в левом массиве.

Теперь, когда я достаточно подумал, это имеет для меня большой смысл. Вы подсчитываете, сколько раз перед числами идет большее число.

hth.

Основная цель этого ответа - сравнить скорости различных версий Python, найденных здесь, но у меня также есть несколько собственных статей. (FWIW, я только что обнаружил этот вопрос во время поиска дубликатов).

Относительная скорость выполнения алгоритмов, реализованных в CPython, может отличаться от той, которую можно было бы ожидать от простого анализа алгоритмов и от опыта работы с другими языками. Это потому, что Python предоставляет множество мощных функций и методов, реализованных на C, которые могут работать со списками и другими коллекциями со скоростью, близкой к скорости, которую можно получить в полностью скомпилированном языке, поэтому эти операции выполняются намного быстрее, чем эквивалентные алгоритмы, реализованные «вручную» с помощью Python. код.

Код, использующий преимущества этих инструментов, часто может превзойти теоретически более совершенные алгоритмы, которые пытаются делать все с помощью операций Python над отдельными элементами коллекции. Конечно, на это влияет и фактическое количество обрабатываемых данных. Но для умеренных объемов данных код, использующий алгоритм O (n²), работающий на скорости C, может легко превзойти алгоритм O (n log n), который выполняет большую часть своей работы с отдельными операциями Python.

Многие из опубликованных ответов на этот вопрос о подсчете инверсии используют алгоритм, основанный на сортировке слиянием. Теоретически это хороший подход, если только размер массива не очень мал. Но встроенный в Python TimSort (гибридный стабильный алгоритм сортировки, полученный на основе сортировки слиянием и сортировки вставкой) работает со скоростью C, и сортировка слиянием, написанная вручную на Python, не может рассчитывать на то, что сможет конкурировать с ним по скорости.

Одно из наиболее интригующих решений здесь, в ответе, опубликованном Никласом Б , использует встроенную сортировку для определения ранжирования элементов массива и двоичное индексированное дерево (также известное как дерево Фенвика) для хранения совокупных сумм, необходимых для вычисления инверсии. считать. Пытаясь понять эту структуру данных и алгоритм Никласа, я написал несколько собственных вариаций (опубликованных ниже). Но я также обнаружил, что для списков умеренных размеров на самом деле быстрее использовать встроенную sumфункцию Python, чем прекрасное дерево Фенвика.

def count_inversions(a):
    total = 0
    counts = [0] * len(a)
    rank = {v: i for i, v in enumerate(sorted(a))}
    for u in reversed(a):
        i = rank[u]
        total += sum(counts[:i])
        counts[i] += 1
    return total

В конце концов, когда размер списка приближается к 500, аспект O (n²) вызова sumвнутри этого forцикла поднимает свою уродливую голову, и производительность начинает резко падать.

Сортировка слиянием - не единственная сортировка O (nlogn), и несколько других могут использоваться для выполнения инверсионного подсчета. В ответе prasadvk используется сортировка двоичного дерева, однако его код, похоже, находится на С ++ или одной из его производных. Итак, я добавил версию Python. Первоначально я использовал класс для реализации узлов дерева, но обнаружил, что dict заметно быстрее. В конце концов я использовал список, который работает еще быстрее, хотя и делает код менее читаемым.

Одним из преимуществ treeort является то, что его намного проще реализовать итеративно, чем слияние. Python не оптимизирует рекурсию и имеет ограничение глубины рекурсии (хотя его можно увеличить, если вам это действительно нужно). И, конечно, вызовы функций Python относительно медленны, поэтому, когда вы пытаетесь оптимизировать скорость, лучше избегать вызовов функций, когда это возможно.

Другая сортировка O (nlogn) - это почтенная сортировка по основанию. Большим преимуществом является то, что он не сравнивает ключи друг с другом. Недостатком является то, что он лучше всего работает с непрерывными последовательностями целых чисел, в идеале перестановка целых чисел, range(b**m)где bобычно 2. Я добавил несколько версий на основе сортировки по основанию после попытки прочитать Подсчет инверсий, Автономный подсчет ортогональных диапазонов и связанные проблемы, которые связаны при вычислении количества «инверсий» в перестановке .

Чтобы эффективно использовать поразрядную сортировку для подсчета инверсий в общей последовательности seqдлины n, мы можем создать перестановку, range(n)которая имеет такое же количество инверсий, как seq. Мы можем сделать это (в худшем случае) за время O (nlogn) через TimSort. Хитрость состоит в том, чтобы переставить индексы seqпутем сортировки seq. Это проще объяснить на небольшом примере.

seq = [15, 14, 11, 12, 10, 13]
b = [t[::-1] for t in enumerate(seq)]
print(b)
b.sort()
print(b)

вывод

[(15, 0), (14, 1), (11, 2), (12, 3), (10, 4), (13, 5)]
[(10, 4), (11, 2), (12, 3), (13, 5), (14, 1), (15, 0)]

Путем сортировки пар (значение, индекс) seqмы переставили индексы seqс тем же количеством свопов, которые необходимо поместить seqв исходный порядок из его отсортированного порядка. Мы можем создать эту перестановку, отсортировав range(n)подходящую ключевую функцию:

print(sorted(range(len(seq)), key=lambda k: seq[k]))

вывод

[4, 2, 3, 5, 1, 0]

Мы можем избежать этого lambdaс помощью seq«s .__getitem__метод:

sorted(range(len(seq)), key=seq.__getitem__)

Это ненамного быстрее, но мы ищем все возможные улучшения скорости. ;)

Приведенный ниже код выполняет timeitтесты всех существующих алгоритмов Python на этой странице, а также некоторых моих собственных: пара версий O (n²) методом грубой силы, несколько вариантов алгоритма Никласа B и, конечно же, на основе сортировки слиянием. (который я написал без ссылки на существующие ответы). В нем также есть мой код древовидной сортировки на основе списков, примерно полученный из кода prasadvk, и различные функции, основанные на сортировке по основанию, некоторые из которых используют стратегию, аналогичную подходам сортировки слиянием, а некоторые используют sumдерево Фенвика.

Эта программа измеряет время выполнения каждой функции в серии случайных списков целых чисел; он также может проверить, что каждая функция дает те же результаты, что и другие, и что она не изменяет список ввода.

Каждый timeitвызов дает вектор, содержащий 3 результата, которые я сортирую. Основное значение здесь смотрите минимальную один, остальные значения лишь дают представление о том , как надежности , что минимальное значение, как описано в примечании в тех timeitмодулях документации .

К сожалению, результат этой программы слишком велик для включения в этот ответ, поэтому я публикую его в отдельном ответе (вики сообщества) .

Результат - три запуска на моем древнем 32-битном одноядерном компьютере с частотой 2 ГГц, на котором запущен Python 3.6.0 на старом производном от Debian дистрибутиве. YMMV. Во время тестов я закрыл свой веб-браузер и отключился от маршрутизатора, чтобы минимизировать влияние других задач на ЦП.

При первом запуске проверяются все функции с размерами списков от 5 до 320, с размерами цикла от 4096 до 64 (при удвоении размера списка размер цикла уменьшается вдвое). Случайный пул, используемый для создания каждого списка, составляет половину размера самого списка, поэтому мы, вероятно, получим много дубликатов. Некоторые алгоритмы инверсионного подсчета более чувствительны к дубликатам, чем другие.

Во втором прогоне используются более крупные списки: от 640 до 10240 и фиксированный размер цикла 8. Для экономии времени из тестов исключаются некоторые из самых медленных функций. Мой перебором O (N²) функции просто путь слишком медленно в этих размерах, и , как упоминалось ранее, мой код , который использует sum, который делает так хорошо на малых и средних списков, просто не может держать на больших списках.

Последний прогон охватывает списки размером от 20480 до 655360 и фиксированным размером цикла 4 с 8 самыми быстрыми функциями. Для списков размером менее 40 000 или около того код Тима Бабича - явный победитель. Молодец Тим! Код Niklas B также является хорошим универсальным исполнителем, хотя в меньших списках он проигрывает. Код «python», основанный на делении пополам, также работает довольно хорошо, хотя он кажется немного медленнее с огромными списками с множеством дубликатов, вероятно, из-за того линейного whileцикла, который он использует для обхода дубликатов .

Однако для списков очень большого размера алгоритмы, основанные на делении пополам, не могут конкурировать с настоящими алгоритмами O (nlogn).

#!/usr/bin/env python3

''' Test speeds of various ways of counting inversions in a list

    The inversion count is a measure of how sorted an array is.
    A pair of items in a are inverted if i < j but a[j] > a[i]

    See /programming/337664/counting-inversions-in-an-array

    This program contains code by the following authors:
    mkso
    Niklas B
    B. M.
    Tim Babych
    python
    Zhe Hu
    prasadvk
    noman pouigt
    PM 2Ring

    Timing and verification code by PM 2Ring
    Collated 2017.12.16
    Updated 2017.12.21
'''

from timeit import Timer
from random import seed, randrange
from bisect import bisect, insort_left

seed('A random seed string')

# Merge sort version by mkso
def count_inversion_mkso(lst):
    return merge_count_inversion(lst)[1]

def merge_count_inversion(lst):
    if len(lst) <= 1:
        return lst, 0
    middle = len(lst) // 2
    left, a = merge_count_inversion(lst[:middle])
    right, b = merge_count_inversion(lst[middle:])
    result, c = merge_count_split_inversion(left, right)
    return result, (a + b + c)

def merge_count_split_inversion(left, right):
    result = []
    count = 0
    i, j = 0, 0
    left_len = len(left)
    while i < left_len and j < len(right):
        if left[i] <= right[j]:
            result.append(left[i])
            i += 1
        else:
            result.append(right[j])
            count += left_len - i
            j += 1
    result += left[i:]
    result += right[j:]
    return result, count

# . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
# Using a Binary Indexed Tree, aka a Fenwick tree, by Niklas B.
def count_inversions_NiklasB(a):
    res = 0
    counts = [0] * (len(a) + 1)
    rank = {v: i for i, v in enumerate(sorted(a), 1)}
    for x in reversed(a):
        i = rank[x] - 1
        while i:
            res += counts[i]
            i -= i & -i
        i = rank[x]
        while i <= len(a):
            counts[i] += 1
            i += i & -i
    return res

# . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
# Merge sort version by B.M
# Modified by PM 2Ring to deal with the global counter
bm_count = 0

def merge_count_BM(seq):
    global bm_count
    bm_count = 0
    sort_bm(seq)
    return bm_count

def merge_bm(l1,l2):
    global bm_count
    l = []
    while l1 and l2:
        if l1[-1] <= l2[-1]:
            l.append(l2.pop())
        else:
            l.append(l1.pop())
            bm_count += len(l2)
    l.reverse()
    return l1 + l2 + l

def sort_bm(l):
    t = len(l) // 2
    return merge_bm(sort_bm(l[:t]), sort_bm(l[t:])) if t > 0 else l

# . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
# Bisection based method by Tim Babych
def solution_TimBabych(A):
    sorted_left = []
    res = 0
    for i in range(1, len(A)):
        insort_left(sorted_left, A[i-1])
        # i is also the length of sorted_left
        res += (i - bisect(sorted_left, A[i]))
    return res

# Slightly faster, except for very small lists
def solutionE_TimBabych(A):
    res = 0
    sorted_left = []
    for i, u in enumerate(A):
        # i is also the length of sorted_left
        res += (i - bisect(sorted_left, u))
        insort_left(sorted_left, u)
    return res

# . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
# Bisection based method by "python"
def solution_python(A):
    B = list(A)
    B.sort()
    inversion_count = 0
    for i in range(len(A)):
        j = binarySearch_python(B, A[i])
        while B[j] == B[j - 1]:
            if j < 1:
                break
            j -= 1
        inversion_count += j
        B.pop(j)
    return inversion_count

def binarySearch_python(alist, item):
    first = 0
    last = len(alist) - 1
    found = False
    while first <= last and not found:
        midpoint = (first + last) // 2
        if alist[midpoint] == item:
            return midpoint
        else:
            if item < alist[midpoint]:
                last = midpoint - 1
            else:
                first = midpoint + 1

# . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
# Merge sort version by Zhe Hu
def inv_cnt_ZheHu(a):
    _, count = inv_cnt(a.copy())
    return count

def inv_cnt(a):
    n = len(a)
    if n==1:
        return a, 0
    left = a[0:n//2] # should be smaller
    left, cnt1 = inv_cnt(left)
    right = a[n//2:] # should be larger
    right, cnt2 = inv_cnt(right)

    cnt = 0
    i_left = i_right = i_a = 0
    while i_a < n:
        if (i_right>=len(right)) or (i_left < len(left)
            and left[i_left] <= right[i_right]):
            a[i_a] = left[i_left]
            i_left += 1
        else:
            a[i_a] = right[i_right]
            i_right += 1
            if i_left < len(left):
                cnt += len(left) - i_left
        i_a += 1
    return (a, cnt1 + cnt2 + cnt)

# . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
# Merge sort version by noman pouigt
# From https://stackoverflow.com/q/47830098
def reversePairs_nomanpouigt(nums):
    def merge(left, right):
        if not left or not right:
            return (0, left + right)
        #if everything in left is less than right
        if left[len(left)-1] < right[0]:
            return (0, left + right)
        else:
            left_idx, right_idx, count = 0, 0, 0
            merged_output = []

            # check for condition before we merge it
            while left_idx < len(left) and right_idx < len(right):
                #if left[left_idx] > 2 * right[right_idx]:
                if left[left_idx] > right[right_idx]:
                    count += len(left) - left_idx
                    right_idx += 1
                else:
                    left_idx += 1

            #merging the sorted list
            left_idx, right_idx = 0, 0
            while left_idx < len(left) and right_idx < len(right):
                if left[left_idx] > right[right_idx]:
                    merged_output += [right[right_idx]]
                    right_idx += 1
                else:
                    merged_output += [left[left_idx]]
                    left_idx += 1
            if left_idx == len(left):
                merged_output += right[right_idx:]
            else:
                merged_output += left[left_idx:]
        return (count, merged_output)

    def partition(nums):
        count = 0
        if len(nums) == 1 or not nums:
            return (0, nums)
        pivot = len(nums)//2
        left_count, l = partition(nums[:pivot])
        right_count, r = partition(nums[pivot:])
        temp_count, temp_list = merge(l, r)
        return (temp_count + left_count + right_count, temp_list)
    return partition(nums)[0]

# . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
# PM 2Ring
def merge_PM2R(seq):
    seq, count = merge_sort_count_PM2R(seq)
    return count

def merge_sort_count_PM2R(seq):
    mid = len(seq) // 2
    if mid == 0:
        return seq, 0
    left, left_total = merge_sort_count_PM2R(seq[:mid])
    right, right_total = merge_sort_count_PM2R(seq[mid:])
    total = left_total + right_total
    result = []
    i = j = 0
    left_len, right_len = len(left), len(right)
    while i < left_len and j < right_len:
        if left[i] <= right[j]:
            result.append(left[i])
            i += 1
        else:
            result.append(right[j])
            j += 1
            total += left_len - i
    result.extend(left[i:])
    result.extend(right[j:])
    return result, total

def rank_sum_PM2R(a):
    total = 0
    counts = [0] * len(a)
    rank = {v: i for i, v in enumerate(sorted(a))}
    for u in reversed(a):
        i = rank[u]
        total += sum(counts[:i])
        counts[i] += 1
    return total

# Fenwick tree functions adapted from C code on Wikipedia
def fen_sum(tree, i):
    ''' Return the sum of the first i elements, 0 through i-1 '''
    total = 0
    while i:
        total += tree[i-1]
        i -= i & -i
    return total

def fen_add(tree, delta, i):
    ''' Add delta to element i and thus 
        to fen_sum(tree, j) for all j > i 
    '''
    size = len(tree)
    while i < size:
        tree[i] += delta
        i += (i+1) & -(i+1)

def fenwick_PM2R(a):
    total = 0
    counts = [0] * len(a)
    rank = {v: i for i, v in enumerate(sorted(a))}
    for u in reversed(a):
        i = rank[u]
        total += fen_sum(counts, i)
        fen_add(counts, 1, i)
    return total

def fenwick_inline_PM2R(a):
    total = 0
    size = len(a)
    counts = [0] * size
    rank = {v: i for i, v in enumerate(sorted(a))}
    for u in reversed(a):
        i = rank[u]
        j = i + 1
        while i:
            total += counts[i]
            i -= i & -i
        while j < size:
            counts[j] += 1
            j += j & -j
    return total

def bruteforce_loops_PM2R(a):
    total = 0
    for i in range(1, len(a)):
        u = a[i]
        for j in range(i):
            if a[j] > u:
                total += 1
    return total

def bruteforce_sum_PM2R(a):
    return sum(1 for i in range(1, len(a)) for j in range(i) if a[j] > a[i])

# Using binary tree counting, derived from C++ code (?) by prasadvk
# https://stackoverflow.com/a/16056139
def ltree_count_PM2R(a):
    total, root = 0, None
    for u in a:
        # Store data in a list-based tree structure
        # [data, count, left_child, right_child]
        p = [u, 0, None, None]
        if root is None:
            root = p
            continue
        q = root
        while True:
            if p[0] < q[0]:
                total += 1 + q[1]
                child = 2
            else:
                q[1] += 1
                child = 3
            if q[child]:
                q = q[child]
            else:
                q[child] = p
                break
    return total

# Counting based on radix sort, recursive version
def radix_partition_rec(a, L):
    if len(a) < 2:
        return 0
    if len(a) == 2:
        return a[1] < a[0]
    left, right = [], []
    count = 0
    for u in a:
        if u & L:
            right.append(u)
        else:
            count += len(right)
            left.append(u)
    L >>= 1
    if L:
        count += radix_partition_rec(left, L) + radix_partition_rec(right, L)
    return count

# The following functions determine swaps using a permutation of 
# range(len(a)) that has the same inversion count as `a`. We can create
# this permutation with `sorted(range(len(a)), key=lambda k: a[k])`
# but `sorted(range(len(a)), key=a.__getitem__)` is a little faster.

# Counting based on radix sort, iterative version
def radix_partition_iter(seq, L):
    count = 0
    parts = [seq]
    while L and parts:
        newparts = []
        for a in parts:
            if len(a) < 2:
                continue
            if len(a) == 2:
                count += a[1] < a[0]
                continue
            left, right = [], []
            for u in a:
                if u & L:
                    right.append(u)
                else:
                    count += len(right)
                    left.append(u)
            if left:
                newparts.append(left)
            if right:
                newparts.append(right)
        parts = newparts
        L >>= 1
    return count

def perm_radixR_PM2R(a):
    size = len(a)
    b = sorted(range(size), key=a.__getitem__)
    n = size.bit_length() - 1
    return radix_partition_rec(b, 1 << n)

def perm_radixI_PM2R(a):
    size = len(a)
    b = sorted(range(size), key=a.__getitem__)
    n = size.bit_length() - 1
    return radix_partition_iter(b, 1 << n)

# Plain sum of the counts of the permutation
def perm_sum_PM2R(a):
    total = 0
    size = len(a)
    counts = [0] * size
    for i in reversed(sorted(range(size), key=a.__getitem__)):
        total += sum(counts[:i])
        counts[i] = 1
    return total

# Fenwick sum of the counts of the permutation
def perm_fenwick_PM2R(a):
    total = 0
    size = len(a)
    counts = [0] * size
    for i in reversed(sorted(range(size), key=a.__getitem__)):
        j = i + 1
        while i:
            total += counts[i]
            i -= i & -i
        while j < size:
            counts[j] += 1
            j += j & -j
    return total

# - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
# All the inversion-counting functions
funcs = (
    solution_TimBabych,
    solutionE_TimBabych,
    solution_python,
    count_inversion_mkso,
    count_inversions_NiklasB,
    merge_count_BM,
    inv_cnt_ZheHu,
    reversePairs_nomanpouigt,
    fenwick_PM2R,
    fenwick_inline_PM2R,
    merge_PM2R,
    rank_sum_PM2R,
    bruteforce_loops_PM2R,
    bruteforce_sum_PM2R,
    ltree_count_PM2R,
    perm_radixR_PM2R,
    perm_radixI_PM2R,
    perm_sum_PM2R,
    perm_fenwick_PM2R,
)

def time_test(seq, loops, verify=False):
    orig = seq
    timings = []
    for func in funcs:
        seq = orig.copy()
        value = func(seq) if verify else None
        t = Timer(lambda: func(seq))
        result = sorted(t.repeat(3, loops))
        timings.append((result, func.__name__, value))
        assert seq==orig, 'Sequence altered by {}!'.format(func.__name__)
    first = timings[0][-1]
    timings.sort()
    for result, name, value in timings:
        result = ', '.join([format(u, '.5f') for u in result])
        print('{:24} : {}'.format(name, result))

    if verify:
        # Check that all results are identical
        bad = ['%s: %d' % (name, value)
            for _, name, value in timings if value != first]
        if bad:
            print('ERROR. Value: {}, bad: {}'.format(first, ', '.join(bad)))
        else:
            print('Value: {}'.format(first))
    print()

#Run the tests
size, loops = 5, 1 << 12
verify = True
for _ in range(7):
    hi = size // 2
    print('Size = {}, hi = {}, {} loops'.format(size, hi, loops))
    seq = [randrange(hi) for _ in range(size)]
    time_test(seq, loops, verify)
    loops >>= 1
    size <<= 1

#size, loops = 640, 8
#verify = False
#for _ in range(5):
    #hi = size // 2
    #print('Size = {}, hi = {}, {} loops'.format(size, hi, loops))
    #seq = [randrange(hi) for _ in range(size)]
    #time_test(seq, loops, verify)
    #size <<= 1

#size, loops = 163840, 4
#verify = False
#for _ in range(3):
    #hi = size // 2
    #print('Size = {}, hi = {}, {} loops'.format(size, hi, loops))
    #seq = [randrange(hi) for _ in range(size)]
    #time_test(seq, loops, verify)
    #size <<= 1

Пожалуйста, смотрите здесь для вывода

Количество инверсий можно узнать, проанализировав процесс слияния в сортировке слиянием:

При копировании элемента из второго массива в массив слияния (9 в этом примере) он сохраняет свое место относительно других элементов. При копировании элемента из первого массива в массив слияния (здесь 5) он инвертируется, и все элементы остаются во втором массиве (2 инверсии с 3 и 4). Таким образом, небольшая модификация сортировки слиянием может решить проблему за O (n ln n).
Например, просто раскомментируйте две строки # в приведенном ниже коде Python для сортировки слиянием, чтобы получить счетчик.

def merge(l1,l2):
    l = []
    # global count
    while l1 and l2:
        if l1[-1] <= l2[-1]:
            l.append(l2.pop())
        else:
            l.append(l1.pop())
            # count += len(l2)
    l.reverse()
    return l1 + l2 + l

def sort(l): 
    t = len(l) // 2
    return merge(sort(l[:t]), sort(l[t:])) if t > 0 else l

count=0
print(sort([5,1,2,4,9,3]), count)
# [1, 2, 3, 4, 5, 9] 6

ИЗМЕНИТЬ 1

Эту же задачу можно решить с помощью стабильной версии быстрой сортировки, которая, как известно, немного быстрее:

def part(l):
    pivot=l[-1]
    small,big = [],[]
    count = big_count = 0
    for x in l:
        if x <= pivot:
            small.append(x)
            count += big_count
        else:
            big.append(x)
            big_count += 1
    return count,small,big

def quick_count(l):
    if len(l)<2 : return 0
    count,small,big = part(l)
    small.pop()
    return count + quick_count(small) + quick_count(big)

Если выбрать опорный элемент в качестве последнего элемента, инверсии хорошо подсчитываются, а время выполнения на 40% лучше, чем слияние, указанное выше.

РЕДАКТИРОВАТЬ 2

Для производительности в python версия numpy & numba:

Сначала часть numpy, которая использует argsort O (n ln n):

def count_inversions(a):
    n = a.size
    counts = np.arange(n) & -np.arange(n)  # The BIT
    ags = a.argsort(kind='mergesort')    
    return  BIT(ags,counts,n)

И самое важное для эффективного подхода BIT :

@numba.njit
def BIT(ags,counts,n):
    res = 0        
    for x in ags :
        i = x
        while i:
            res += counts[i]
            i -= i & -i
        i = x+1
        while i < n:
            counts[i] -= 1
            i += i & -i
    return  res  

Обратите внимание, что ответ Джеффри Ирвинга неверен.

Количество инверсий в массиве составляет половину общего расстояния, на которое элементы должны быть перемещены, чтобы отсортировать массив. Следовательно, его можно вычислить, отсортировав массив, сохранив полученную перестановку p [i], а затем вычислив сумму abs (p [i] -i) / 2. Это занимает время O (n log n), что является оптимальным.

Альтернативный метод представлен на http://mathworld.wolfram.com/PermutationInversion.html . Этот метод эквивалентен сумме max (0, p [i] -i), которая равна сумме abs (p [i] -i]) / 2, поскольку общее расстояние, которое элементы перемещаются влево, равно элементы полного расстояния перемещаются вправо.

Возьмем для примера последовательность {3, 2, 1}. Есть три инверсии: (3, 2), (3, 1), (2, 1), поэтому число инверсии равно 3. Однако, согласно указанному методу, ответ был бы 2.

Проверьте это: http://www.cs.jhu.edu/~xfliu/600.363_F03/hw_solution/solution1.pdf

Я надеюсь, что это даст вам правильный ответ.

• 2-3 Инверсия, часть (d)
• Время работы O (nlogn)

Вот одно из возможных решений с вариацией двоичного дерева. Он добавляет поле rightSubTreeSize к каждому узлу дерева. Продолжайте вставлять числа в двоичное дерево в том порядке, в котором они появляются в массиве. Если число идет влево от узла, счетчик инверсий для этого элемента будет (1 + rightSubTreeSize). Поскольку все эти элементы больше текущего, и они должны были появиться в массиве раньше. Если элемент переходит в правую часть узла, просто увеличьте его rightSubTreeSize. Ниже приведен код.

Node { 
    int data;
    Node* left, *right;
    int rightSubTreeSize;

    Node(int data) { 
        rightSubTreeSize = 0;
    }   
};

Node* root = null;
int totCnt = 0;
for(i = 0; i < n; ++i) { 
    Node* p = new Node(a[i]);
    if(root == null) { 
        root = p;
        continue;
    } 

    Node* q = root;
    int curCnt = 0;
    while(q) { 
        if(p->data <= q->data) { 
            curCnt += 1 + q->rightSubTreeSize;
            if(q->left) { 
                q = q->left;
            } else { 
                q->left = p;
                break;
            }
        } else { 
            q->rightSubTreeSize++;
            if(q->right) { 
                q = q->right;
            } else { 
                q->right = p;
                break;
            }
        }
    }

    totCnt += curCnt;
  }
  return totCnt;

public static int mergeSort(int[] a, int p, int r)
{
    int countInversion = 0;
    if(p < r)
    {
        int q = (p + r)/2;
        countInversion = mergeSort(a, p, q);
        countInversion += mergeSort(a, q+1, r);
        countInversion += merge(a, p, q, r);
    }
    return countInversion;
}

public static int merge(int[] a, int p, int q, int r)
{
    //p=0, q=1, r=3
    int countingInversion = 0;
    int n1 = q-p+1;
    int n2 = r-q;
    int[] temp1 = new int[n1+1];
    int[] temp2 = new int[n2+1];
    for(int i=0; i<n1; i++) temp1[i] = a[p+i];
    for(int i=0; i<n2; i++) temp2[i] = a[q+1+i];

    temp1[n1] = Integer.MAX_VALUE;
    temp2[n2] = Integer.MAX_VALUE;
    int i = 0, j = 0;

    for(int k=p; k<=r; k++)
    {
        if(temp1[i] <= temp2[j])
        {
            a[k] = temp1[i];
            i++;
        }
        else
        {
            a[k] = temp2[j];
            j++;
            countingInversion=countingInversion+(n1-i); 
        }
    }
    return countingInversion;
}
public static void main(String[] args)
{
    int[] a = {1, 20, 6, 4, 5};
    int countInversion = mergeSort(a, 0, a.length-1);
    System.out.println(countInversion);
}

Поскольку это старый вопрос, я отвечу на C.

#include <stdio.h>

int count = 0;
int inversions(int a[], int len);
void mergesort(int a[], int left, int right);
void merge(int a[], int left, int mid, int right);

int main() {
  int a[] = { 1, 5, 2, 4, 0 };
  printf("%d\n", inversions(a, 5));
}

int inversions(int a[], int len) {
  mergesort(a, 0, len - 1);
  return count;
}

void mergesort(int a[], int left, int right) {
  if (left < right) {
     int mid = (left + right) / 2;
     mergesort(a, left, mid);
     mergesort(a, mid + 1, right);
     merge(a, left, mid, right);
  }
}

void merge(int a[], int left, int mid, int right) {
  int i = left;
  int j = mid + 1;
  int k = 0;
  int b[right - left + 1];
  while (i <= mid && j <= right) {
     if (a[i] <= a[j]) {
       b[k++] = a[i++];
     } else {
       printf("right element: %d\n", a[j]);
       count += (mid - i + 1);
       printf("new count: %d\n", count);
       b[k++] = a[j++];
     }
  }
  while (i <= mid)
    b[k++] = a[i++];
  while (j <= right)
    b[k++] = a[j++];
  for (i = left, k = 0; i <= right; i++, k++) {
    a[i] = b[k];
  }
}

Вот решение С ++

/**
*array sorting needed to verify if first arrays n'th element is greater than sencond arrays
*some element then all elements following n will do the same
*/
#include<stdio.h>
#include<iostream>
using namespace std;
int countInversions(int array[],int size);
int merge(int arr1[],int size1,int arr2[],int size2,int[]);
int main()
{
    int array[] = {2, 4, 1, 3, 5};
    int size = sizeof(array) / sizeof(array[0]);
    int x = countInversions(array,size);
    printf("number of inversions = %d",x);
}

int countInversions(int array[],int size)
{
    if(size > 1 )
    {
    int mid = size / 2;
    int count1 = countInversions(array,mid);
    int count2 = countInversions(array+mid,size-mid);
    int temp[size];
    int count3 = merge(array,mid,array+mid,size-mid,temp);
    for(int x =0;x<size ;x++)
    {
        array[x] = temp[x];
    }
    return count1 + count2 + count3;
    }else{
        return 0;
    }
}

int merge(int arr1[],int size1,int arr2[],int size2,int temp[])
{
    int count  = 0;
    int a = 0;
    int b = 0;
    int c = 0;
    while(a < size1 && b < size2)
    {
        if(arr1[a] < arr2[b])
        {
            temp[c] = arr1[a];
            c++;
            a++;
        }else{
            temp[c] = arr2[b];
            b++;
            c++;
            count = count + size1 -a;
        }
    }

    while(a < size1)
    {
        temp[c] = arr1[a];
        c++;a++;
    }

while(b < size2)
    {
        temp[c] = arr2[b];
        c++;b++;
    }

    return count;
}

Этот ответ содержит результаты timeitтестов, произведенных кодом в моем основном ответе . Пожалуйста, смотрите этот ответ для подробностей!

count_inversions speed test results

Size = 5, hi = 2, 4096 loops
ltree_count_PM2R         : 0.04871, 0.04872, 0.04876
bruteforce_loops_PM2R    : 0.05696, 0.05700, 0.05776
solution_TimBabych       : 0.05760, 0.05822, 0.05943
solutionE_TimBabych      : 0.06642, 0.06704, 0.06760
bruteforce_sum_PM2R      : 0.07523, 0.07545, 0.07563
perm_sum_PM2R            : 0.09873, 0.09875, 0.09935
rank_sum_PM2R            : 0.10449, 0.10463, 0.10468
solution_python          : 0.13034, 0.13061, 0.13221
fenwick_inline_PM2R      : 0.14323, 0.14610, 0.18802
perm_radixR_PM2R         : 0.15146, 0.15203, 0.15235
merge_count_BM           : 0.16179, 0.16267, 0.16467
perm_radixI_PM2R         : 0.16200, 0.16202, 0.16768
perm_fenwick_PM2R        : 0.16887, 0.16920, 0.17075
merge_PM2R               : 0.18262, 0.18271, 0.18418
count_inversions_NiklasB : 0.19183, 0.19279, 0.20388
count_inversion_mkso     : 0.20060, 0.20141, 0.20398
inv_cnt_ZheHu            : 0.20815, 0.20841, 0.20906
fenwick_PM2R             : 0.22109, 0.22137, 0.22379
reversePairs_nomanpouigt : 0.29620, 0.29689, 0.30293
Value: 5

Size = 10, hi = 5, 2048 loops
solution_TimBabych       : 0.05954, 0.05989, 0.05991
solutionE_TimBabych      : 0.05970, 0.05972, 0.05998
perm_sum_PM2R            : 0.07517, 0.07519, 0.07520
ltree_count_PM2R         : 0.07672, 0.07677, 0.07684
bruteforce_loops_PM2R    : 0.07719, 0.07724, 0.07817
rank_sum_PM2R            : 0.08587, 0.08823, 0.08864
bruteforce_sum_PM2R      : 0.09470, 0.09472, 0.09484
solution_python          : 0.13126, 0.13154, 0.13185
perm_radixR_PM2R         : 0.14239, 0.14320, 0.14474
perm_radixI_PM2R         : 0.14632, 0.14669, 0.14679
fenwick_inline_PM2R      : 0.16796, 0.16831, 0.17030
perm_fenwick_PM2R        : 0.18189, 0.18212, 0.18638
merge_count_BM           : 0.19816, 0.19870, 0.19948
count_inversions_NiklasB : 0.21807, 0.22031, 0.22215
merge_PM2R               : 0.22037, 0.22048, 0.26106
fenwick_PM2R             : 0.24290, 0.24314, 0.24744
count_inversion_mkso     : 0.24895, 0.24899, 0.25205
inv_cnt_ZheHu            : 0.26253, 0.26259, 0.26590
reversePairs_nomanpouigt : 0.35711, 0.35762, 0.35973
Value: 20

Size = 20, hi = 10, 1024 loops
solutionE_TimBabych      : 0.05687, 0.05696, 0.05720
solution_TimBabych       : 0.06126, 0.06151, 0.06168
perm_sum_PM2R            : 0.06875, 0.06906, 0.07054
rank_sum_PM2R            : 0.07988, 0.07995, 0.08002
ltree_count_PM2R         : 0.11232, 0.11239, 0.11257
bruteforce_loops_PM2R    : 0.12553, 0.12584, 0.12592
solution_python          : 0.13472, 0.13540, 0.13694
bruteforce_sum_PM2R      : 0.15820, 0.15849, 0.16021
perm_radixI_PM2R         : 0.17101, 0.17148, 0.17229
perm_radixR_PM2R         : 0.17891, 0.18087, 0.18366
perm_fenwick_PM2R        : 0.20554, 0.20708, 0.21412
fenwick_inline_PM2R      : 0.21161, 0.21163, 0.22047
merge_count_BM           : 0.24125, 0.24261, 0.24565
count_inversions_NiklasB : 0.25712, 0.25754, 0.25778
merge_PM2R               : 0.26477, 0.26566, 0.31297
fenwick_PM2R             : 0.28178, 0.28216, 0.29069
count_inversion_mkso     : 0.30286, 0.30290, 0.30652
inv_cnt_ZheHu            : 0.32024, 0.32041, 0.32447
reversePairs_nomanpouigt : 0.45812, 0.45822, 0.46172
Value: 98

Size = 40, hi = 20, 512 loops
solutionE_TimBabych      : 0.05784, 0.05787, 0.05958
solution_TimBabych       : 0.06452, 0.06475, 0.06479
perm_sum_PM2R            : 0.07254, 0.07261, 0.07263
rank_sum_PM2R            : 0.08537, 0.08540, 0.08572
ltree_count_PM2R         : 0.11744, 0.11749, 0.11792
solution_python          : 0.14262, 0.14285, 0.14465
perm_radixI_PM2R         : 0.18774, 0.18776, 0.18922
perm_radixR_PM2R         : 0.19425, 0.19435, 0.19609
bruteforce_loops_PM2R    : 0.21500, 0.21511, 0.21686
perm_fenwick_PM2R        : 0.23338, 0.23375, 0.23674
fenwick_inline_PM2R      : 0.24947, 0.24958, 0.25189
bruteforce_sum_PM2R      : 0.27627, 0.27646, 0.28041
merge_count_BM           : 0.28059, 0.28128, 0.28294
count_inversions_NiklasB : 0.28557, 0.28759, 0.29022
merge_PM2R               : 0.29886, 0.29928, 0.30317
fenwick_PM2R             : 0.30241, 0.30259, 0.35237
count_inversion_mkso     : 0.34252, 0.34356, 0.34441
inv_cnt_ZheHu            : 0.37468, 0.37569, 0.37847
reversePairs_nomanpouigt : 0.50725, 0.50770, 0.50943
Value: 369

Size = 80, hi = 40, 256 loops
solutionE_TimBabych      : 0.06339, 0.06373, 0.06513
solution_TimBabych       : 0.06984, 0.06994, 0.07009
perm_sum_PM2R            : 0.09171, 0.09172, 0.09186
rank_sum_PM2R            : 0.10468, 0.10474, 0.10500
ltree_count_PM2R         : 0.14416, 0.15187, 0.18541
solution_python          : 0.17415, 0.17423, 0.17451
perm_radixI_PM2R         : 0.20676, 0.20681, 0.20936
perm_radixR_PM2R         : 0.21671, 0.21695, 0.21736
perm_fenwick_PM2R        : 0.26197, 0.26252, 0.26264
fenwick_inline_PM2R      : 0.28111, 0.28249, 0.28382
count_inversions_NiklasB : 0.31746, 0.32448, 0.32451
merge_count_BM           : 0.31964, 0.33842, 0.35276
merge_PM2R               : 0.32890, 0.32941, 0.33322
fenwick_PM2R             : 0.34355, 0.34377, 0.34873
count_inversion_mkso     : 0.37689, 0.37698, 0.38079
inv_cnt_ZheHu            : 0.42923, 0.42941, 0.43249
bruteforce_loops_PM2R    : 0.43544, 0.43601, 0.43902
bruteforce_sum_PM2R      : 0.52106, 0.52160, 0.52531
reversePairs_nomanpouigt : 0.57805, 0.58156, 0.58252
Value: 1467

Size = 160, hi = 80, 128 loops
solutionE_TimBabych      : 0.06766, 0.06784, 0.06963
solution_TimBabych       : 0.07433, 0.07489, 0.07516
perm_sum_PM2R            : 0.13143, 0.13175, 0.13179
rank_sum_PM2R            : 0.14428, 0.14440, 0.14922
solution_python          : 0.20072, 0.20076, 0.20084
ltree_count_PM2R         : 0.20314, 0.20583, 0.24776
perm_radixI_PM2R         : 0.23061, 0.23078, 0.23525
perm_radixR_PM2R         : 0.23894, 0.23915, 0.24234
perm_fenwick_PM2R        : 0.30984, 0.31181, 0.31503
fenwick_inline_PM2R      : 0.31933, 0.32680, 0.32722
merge_count_BM           : 0.36003, 0.36387, 0.36409
count_inversions_NiklasB : 0.36796, 0.36814, 0.37106
merge_PM2R               : 0.36847, 0.36848, 0.37127
fenwick_PM2R             : 0.37833, 0.37847, 0.38095
count_inversion_mkso     : 0.42746, 0.42747, 0.43184
inv_cnt_ZheHu            : 0.48969, 0.48974, 0.49293
reversePairs_nomanpouigt : 0.67791, 0.68157, 0.72420
bruteforce_loops_PM2R    : 0.82816, 0.83175, 0.83282
bruteforce_sum_PM2R      : 1.03322, 1.03378, 1.03562
Value: 6194

Size = 320, hi = 160, 64 loops
solutionE_TimBabych      : 0.07467, 0.07470, 0.07483
solution_TimBabych       : 0.08036, 0.08066, 0.08077
perm_sum_PM2R            : 0.21142, 0.21201, 0.25766
solution_python          : 0.22410, 0.22644, 0.22897
rank_sum_PM2R            : 0.22820, 0.22851, 0.22877
ltree_count_PM2R         : 0.24424, 0.24595, 0.24645
perm_radixI_PM2R         : 0.25690, 0.25710, 0.26191
perm_radixR_PM2R         : 0.26501, 0.26504, 0.26729
perm_fenwick_PM2R        : 0.33483, 0.33507, 0.33845
fenwick_inline_PM2R      : 0.34413, 0.34484, 0.35153
merge_count_BM           : 0.39875, 0.39919, 0.40302
fenwick_PM2R             : 0.40434, 0.40439, 0.40845
merge_PM2R               : 0.40814, 0.41531, 0.51417
count_inversions_NiklasB : 0.41681, 0.42009, 0.42128
count_inversion_mkso     : 0.47132, 0.47192, 0.47385
inv_cnt_ZheHu            : 0.54468, 0.54750, 0.54893
reversePairs_nomanpouigt : 0.76164, 0.76389, 0.80357
bruteforce_loops_PM2R    : 1.59125, 1.60430, 1.64131
bruteforce_sum_PM2R      : 2.03734, 2.03834, 2.03975
Value: 24959

Run 2

Size = 640, hi = 320, 8 loops
solutionE_TimBabych      : 0.04135, 0.04374, 0.04575
ltree_count_PM2R         : 0.06738, 0.06758, 0.06874
perm_radixI_PM2R         : 0.06928, 0.06943, 0.07019
fenwick_inline_PM2R      : 0.07850, 0.07856, 0.08059
perm_fenwick_PM2R        : 0.08151, 0.08162, 0.08170
perm_sum_PM2R            : 0.09122, 0.09133, 0.09221
rank_sum_PM2R            : 0.09549, 0.09603, 0.11270
merge_count_BM           : 0.10733, 0.10807, 0.11032
count_inversions_NiklasB : 0.12460, 0.19865, 0.20205
solution_python          : 0.13514, 0.13585, 0.13814

Size = 1280, hi = 640, 8 loops
solutionE_TimBabych      : 0.04714, 0.04742, 0.04752
perm_radixI_PM2R         : 0.15325, 0.15388, 0.15525
solution_python          : 0.15709, 0.15715, 0.16076
fenwick_inline_PM2R      : 0.16048, 0.16160, 0.16403
ltree_count_PM2R         : 0.16213, 0.16238, 0.16428
perm_fenwick_PM2R        : 0.16408, 0.16416, 0.16449
count_inversions_NiklasB : 0.19755, 0.19833, 0.19897
merge_count_BM           : 0.23736, 0.23793, 0.23912
perm_sum_PM2R            : 0.32946, 0.32969, 0.33277
rank_sum_PM2R            : 0.34637, 0.34756, 0.34858

Size = 2560, hi = 1280, 8 loops
solutionE_TimBabych      : 0.10898, 0.11005, 0.11025
perm_radixI_PM2R         : 0.33345, 0.33352, 0.37656
ltree_count_PM2R         : 0.34670, 0.34786, 0.34833
perm_fenwick_PM2R        : 0.34816, 0.34879, 0.35214
fenwick_inline_PM2R      : 0.36196, 0.36455, 0.36741
solution_python          : 0.36498, 0.36637, 0.40887
count_inversions_NiklasB : 0.42274, 0.42745, 0.42995
merge_count_BM           : 0.50799, 0.50898, 0.50917
perm_sum_PM2R            : 1.27773, 1.27897, 1.27951
rank_sum_PM2R            : 1.29728, 1.30389, 1.30448

Size = 5120, hi = 2560, 8 loops
solutionE_TimBabych      : 0.26914, 0.26993, 0.27253
perm_radixI_PM2R         : 0.71416, 0.71634, 0.71753
perm_fenwick_PM2R        : 0.71976, 0.72078, 0.72078
fenwick_inline_PM2R      : 0.72776, 0.72804, 0.73143
ltree_count_PM2R         : 0.81972, 0.82043, 0.82290
solution_python          : 0.83714, 0.83756, 0.83962
count_inversions_NiklasB : 0.87282, 0.87395, 0.92087
merge_count_BM           : 1.09496, 1.09584, 1.10207
rank_sum_PM2R            : 5.02564, 5.06277, 5.06666
perm_sum_PM2R            : 5.09088, 5.12999, 5.13512

Size = 10240, hi = 5120, 8 loops
solutionE_TimBabych      : 0.71556, 0.71718, 0.72201
perm_radixI_PM2R         : 1.54785, 1.55096, 1.55515
perm_fenwick_PM2R        : 1.55103, 1.55353, 1.59298
fenwick_inline_PM2R      : 1.57118, 1.57240, 1.57271
ltree_count_PM2R         : 1.76240, 1.76247, 1.80944
count_inversions_NiklasB : 1.86543, 1.86851, 1.87208
solution_python          : 2.01490, 2.01519, 2.06423
merge_count_BM           : 2.35215, 2.35301, 2.40023
rank_sum_PM2R            : 20.07048, 20.08399, 20.13200
perm_sum_PM2R            : 20.10187, 20.12551, 20.12683

Run 3
Size = 20480, hi = 10240, 4 loops
solutionE_TimBabych      : 1.07636, 1.08243, 1.09569
perm_radixI_PM2R         : 1.59579, 1.60519, 1.61785
perm_fenwick_PM2R        : 1.66885, 1.68549, 1.71109
fenwick_inline_PM2R      : 1.72073, 1.72752, 1.77217
ltree_count_PM2R         : 1.96900, 1.97820, 2.02578
count_inversions_NiklasB : 2.03257, 2.05005, 2.18548
merge_count_BM           : 2.46768, 2.47377, 2.52133
solution_python          : 2.49833, 2.50179, 3.79819

Size = 40960, hi = 20480, 4 loops
solutionE_TimBabych      : 3.51733, 3.52008, 3.56996
perm_radixI_PM2R         : 3.51736, 3.52365, 3.56459
perm_fenwick_PM2R        : 3.76097, 3.80900, 3.87974
fenwick_inline_PM2R      : 3.95099, 3.96300, 3.99748
ltree_count_PM2R         : 4.49866, 4.54652, 5.39716
count_inversions_NiklasB : 4.61851, 4.64303, 4.73026
merge_count_BM           : 5.31945, 5.35378, 5.35951
solution_python          : 6.78756, 6.82911, 6.98217

Size = 81920, hi = 40960, 4 loops
perm_radixI_PM2R         : 7.68723, 7.71986, 7.72135
perm_fenwick_PM2R        : 8.52404, 8.53349, 8.53710
fenwick_inline_PM2R      : 8.97082, 8.97561, 8.98347
ltree_count_PM2R         : 10.01142, 10.01426, 10.03216
count_inversions_NiklasB : 10.60807, 10.62424, 10.70425
merge_count_BM           : 11.42149, 11.42342, 11.47003
solutionE_TimBabych      : 12.83390, 12.83485, 12.89747
solution_python          : 19.66092, 19.67067, 20.72204

Size = 163840, hi = 81920, 4 loops
perm_radixI_PM2R         : 17.14153, 17.16885, 17.22240
perm_fenwick_PM2R        : 19.25944, 19.27844, 20.27568
fenwick_inline_PM2R      : 19.78221, 19.80219, 19.80766
ltree_count_PM2R         : 22.42240, 22.43259, 22.48837
count_inversions_NiklasB : 22.97341, 23.01516, 23.98052
merge_count_BM           : 24.42683, 24.48559, 24.51488
solutionE_TimBabych      : 60.96006, 61.20145, 63.71835
solution_python          : 73.75132, 73.79854, 73.95874

Size = 327680, hi = 163840, 4 loops
perm_radixI_PM2R         : 36.56715, 36.60221, 37.05071
perm_fenwick_PM2R        : 42.21616, 42.21838, 42.26053
fenwick_inline_PM2R      : 43.04987, 43.09075, 43.13287
ltree_count_PM2R         : 49.87400, 50.08509, 50.69292
count_inversions_NiklasB : 50.74591, 50.75012, 50.75551
merge_count_BM           : 52.37284, 52.51491, 53.43003
solutionE_TimBabych      : 373.67198, 377.03341, 377.42360
solution_python          : 411.69178, 411.92691, 412.83856

Size = 655360, hi = 327680, 4 loops
perm_radixI_PM2R         : 78.51927, 78.66327, 79.46325
perm_fenwick_PM2R        : 90.64711, 90.80328, 91.76126
fenwick_inline_PM2R      : 93.32482, 93.39086, 94.28880
count_inversions_NiklasB : 107.74393, 107.80036, 108.71443
ltree_count_PM2R         : 109.11328, 109.23592, 110.18247
merge_count_BM           : 111.05633, 111.07840, 112.05861
solutionE_TimBabych      : 1830.46443, 1836.39960, 1849.53918
solution_python          : 1911.03692, 1912.04484, 1914.69786

Вот код C для инверсии счетчика

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int  _mergeSort(int arr[], int temp[], int left, int right);
int merge(int arr[], int temp[], int left, int mid, int right);

/* This function sorts the input array and returns the
   number of inversions in the array */
int mergeSort(int arr[], int array_size)
{
    int *temp = (int *)malloc(sizeof(int)*array_size);
    return _mergeSort(arr, temp, 0, array_size - 1);
}

/* An auxiliary recursive function that sorts the input array and
  returns the number of inversions in the array. */
int _mergeSort(int arr[], int temp[], int left, int right)
{
  int mid, inv_count = 0;
  if (right > left)
  {
    /* Divide the array into two parts and call _mergeSortAndCountInv()
       for each of the parts */
    mid = (right + left)/2;

    /* Inversion count will be sum of inversions in left-part, right-part
      and number of inversions in merging */
    inv_count  = _mergeSort(arr, temp, left, mid);
    inv_count += _mergeSort(arr, temp, mid+1, right);

    /*Merge the two parts*/
    inv_count += merge(arr, temp, left, mid+1, right);
  }
  return inv_count;
}

/* This funt merges two sorted arrays and returns inversion count in
   the arrays.*/
int merge(int arr[], int temp[], int left, int mid, int right)
{
  int i, j, k;
  int inv_count = 0;

  i = left; /* i is index for left subarray*/
  j = mid;  /* i is index for right subarray*/
  k = left; /* i is index for resultant merged subarray*/
  while ((i <= mid - 1) && (j <= right))
  {
    if (arr[i] <= arr[j])
    {
      temp[k++] = arr[i++];
    }
    else
    {
      temp[k++] = arr[j++];

     /*this is tricky -- see above explanation/diagram for merge()*/
      inv_count = inv_count + (mid - i);
    }
  }

  /* Copy the remaining elements of left subarray
   (if there are any) to temp*/
  while (i <= mid - 1)
    temp[k++] = arr[i++];

  /* Copy the remaining elements of right subarray
   (if there are any) to temp*/
  while (j <= right)
    temp[k++] = arr[j++];

  /*Copy back the merged elements to original array*/
  for (i=left; i <= right; i++)
    arr[i] = temp[i];

  return inv_count;
}

/* Driver progra to test above functions */
int main(int argv, char** args)
{
  int arr[] = {1, 20, 6, 4, 5};
  printf(" Number of inversions are %d \n", mergeSort(arr, 5));
  getchar();
  return 0;
}

Подробное объяснение было дано здесь: http://www.geeksforgeeks.org/counting-inversions/

O (n log n) время, O (n) космическое решение в java.

Сортировка слиянием с настройкой для сохранения количества инверсий, выполненных на этапе слияния. (для хорошо объясненной сортировки слиянием взгляните на http://www.vogella.com/tutorials/JavaAlgorithmsMergesort/article.html )

Поскольку сортировка слиянием может быть выполнена на месте, сложность пространства может быть улучшена до O (1).

При использовании этой сортировки инверсии происходят только на этапе слияния и только тогда, когда мы должны поместить элемент второй части перед элементами из первой половины, например

• 0 5 10 15

слился с

• 1 6 22

имеем 3 + 2 + 0 = 5 инверсий:

• 1 с {5, 10, 15}
• 6 с {10, 15}
• 22 с {}

После того, как мы сделали 5 инверсий, наш новый объединенный список будет 0, 1, 5, 6, 10, 15, 22.

В Codility есть демонстрационная задача ArrayInversionCount, где вы можете протестировать свое решение.

    public class FindInversions {

    public static int solution(int[] input) {
        if (input == null)
            return 0;
        int[] helper = new int[input.length];
        return mergeSort(0, input.length - 1, input, helper);
    }

    public static int mergeSort(int low, int high, int[] input, int[] helper) {
        int inversionCount = 0;
        if (low < high) {
            int medium = low + (high - low) / 2;
            inversionCount += mergeSort(low, medium, input, helper);
            inversionCount += mergeSort(medium + 1, high, input, helper);
            inversionCount += merge(low, medium, high, input, helper);
        }
        return inversionCount;
    }

    public static int merge(int low, int medium, int high, int[] input, int[] helper) {
        int inversionCount = 0;

        for (int i = low; i <= high; i++)
            helper[i] = input[i];

        int i = low;
        int j = medium + 1;
        int k = low;

        while (i <= medium && j <= high) {
            if (helper[i] <= helper[j]) {
                input[k] = helper[i];
                i++;
            } else {
                input[k] = helper[j];
                // the number of elements in the first half which the j element needs to jump over.
                // there is an inversion between each of those elements and j.
                inversionCount += (medium + 1 - i);
                j++;
            }
            k++;
        }

        // finish writing back in the input the elements from the first part
        while (i <= medium) {
            input[k] = helper[i];
            i++;
            k++;
        }
        return inversionCount;
    }

}

Вот реализация Perl O (n * log (n)):

sub sort_and_count {
    my ($arr, $n) = @_;
    return ($arr, 0) unless $n > 1;

    my $mid = $n % 2 == 1 ? ($n-1)/2 : $n/2;
    my @left = @$arr[0..$mid-1];
    my @right = @$arr[$mid..$n-1];

    my ($sleft, $x) = sort_and_count( \@left, $mid );
    my ($sright, $y) = sort_and_count( \@right, $n-$mid);
    my ($merged, $z) = merge_and_countsplitinv( $sleft, $sright, $n );

    return ($merged, $x+$y+$z);
}

sub merge_and_countsplitinv {
    my ($left, $right, $n) = @_;

    my ($l_c, $r_c) = ($#$left+1, $#$right+1);
    my ($i, $j) = (0, 0);
    my @merged;
    my $inv = 0;

    for my $k (0..$n-1) {
        if ($i<$l_c && $j<$r_c) {
            if ( $left->[$i] < $right->[$j]) {
                push @merged, $left->[$i];
                $i+=1;
            } else {
                push @merged, $right->[$j];
                $j+=1;
                $inv += $l_c - $i;
            }
        } else {
            if ($i>=$l_c) {
                push @merged, @$right[ $j..$#$right ];
            } else {
                push @merged, @$left[ $i..$#$left ];
            }
            last;
        }
    }

    return (\@merged, $inv);
}

Мой ответ на Python:

1- Сначала отсортируйте массив и сделайте его копию. В моей программе B представляет отсортированный массив. 2- Перебрать исходный массив (несортированный) и найти индекс этого элемента в отсортированном списке. Также запишите индекс элемента. 3- Убедитесь, что элемент не имеет дубликатов, если они есть, вам нужно изменить значение вашего индекса на -1. Условие while в моей программе делает именно это. 4- Продолжайте подсчитывать инверсию, которая будет вашим значением индекса, и удалите элемент, как только вы рассчитали его инверсию.

def binarySearch(alist, item):
    first = 0
    last = len(alist) - 1
    found = False

    while first <= last and not found:
        midpoint = (first + last)//2
        if alist[midpoint] == item:
            return midpoint
        else:
            if item < alist[midpoint]:
                last = midpoint - 1
            else:
                first = midpoint + 1

def solution(A):

    B = list(A)
    B.sort()
    inversion_count = 0
    for i in range(len(A)):
        j = binarySearch(B, A[i])
        while B[j] == B[j - 1]:
            if j < 1:
                break
            j -= 1

        inversion_count += j
        B.pop(j)

    if inversion_count > 1000000000:
        return -1
    else:
        return inversion_count

print solution([4, 10, 11, 1, 3, 9, 10])

Ну, у меня есть другое решение, но я боюсь, что оно будет работать только для отдельных элементов массива.

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

int main()
{
    int i,n;
    cin >> n;
    int arr[n],inv[n];
    for(i=0;i<n;i++){
        cin >> arr[i];
    }
    vector<int> v;
    v.push_back(arr[n-1]);
    inv[n-1]=0;
    for(i=n-2;i>=0;i--){
        auto it = lower_bound(v.begin(),v.end(),arr[i]); 
        //calculating least element in vector v which is greater than arr[i]
        inv[i]=it-v.begin();
        //calculating distance from starting of vector
        v.insert(it,arr[i]);
        //inserting that element into vector v
    }
    for(i=0;i<n;i++){
        cout << inv[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    return 0;
}

Чтобы объяснить мой код, мы продолжаем добавлять элементы с конца массива. Для любого входящего элемента массива мы находим индекс первого элемента в векторе v, который больше, чем наш входящий элемент, и присваиваем это значение счетчику инверсии индекса входящего элемента . После этого мы вставляем этот элемент в вектор v в его правильную позицию так, чтобы вектор v оставался в отсортированном порядке.

//INPUT     
4
2 1 4 3

//OUTPUT    
1 0 1 0

//To calculate total inversion count just add up all the elements in output array

Еще одно решение Python, короткое. Использует встроенный модуль bisect, который предоставляет функции для вставки элемента на его место в отсортированном массиве и поиска индекса элемента в отсортированном массиве.

Идея состоит в том, чтобы хранить элементы слева от n-го в таком массиве, что позволило бы нам легко найти их количество больше n-го.

import bisect
def solution(A):
    sorted_left = []
    res = 0
    for i in xrange(1, len(A)):
        bisect.insort_left(sorted_left, A[i-1])
        # i is also the length of sorted_left
        res += (i - bisect.bisect(sorted_left, A[i]))
    return res

Простой ответ O (n ^ 2) - использовать вложенные циклы for и увеличивать счетчик для каждой инверсии.

int counter = 0;

for(int i = 0; i < n - 1; i++)
{
    for(int j = i+1; j < n; j++)
    {
        if( A[i] > A[j] )
        {
            counter++;
        }
    }
}

return counter;

Теперь, я полагаю, вам нужно более эффективное решение, я подумаю.

Одно из возможных решений в C ++, удовлетворяющих требованию временной сложности O (N * log (N)), будет следующим.

#include <algorithm>

vector<int> merge(vector<int>left, vector<int>right, int &counter)
{

    vector<int> result;

    vector<int>::iterator it_l=left.begin();
    vector<int>::iterator it_r=right.begin();

    int index_left=0;

    while(it_l!=left.end() || it_r!=right.end())
    {

        // the following is true if we are finished with the left vector 
        // OR if the value in the right vector is the smaller one.

        if(it_l==left.end() || (it_r!=right.end() && *it_r<*it_l) )
        {
            result.push_back(*it_r);
            it_r++;

            // increase inversion counter
            counter+=left.size()-index_left;
        }
        else
        {
            result.push_back(*it_l);
            it_l++;
            index_left++;

        }
    }

    return result;
}

vector<int> merge_sort_and_count(vector<int> A, int &counter)
{

    int N=A.size();
    if(N==1)return A;

    vector<int> left(A.begin(),A.begin()+N/2);
    vector<int> right(A.begin()+N/2,A.end());

    left=merge_sort_and_count(left,counter);
    right=merge_sort_and_count(right,counter);


    return merge(left, right, counter);

}

От обычной сортировки слиянием она отличается только счетчиком.

Вот мое решение O (n log n) в Ruby:

def solution(t)
    sorted, inversion_count = sort_inversion_count(t)
    return inversion_count
end

def sort_inversion_count(t)
    midpoint = t.length / 2
    left_half = t[0...midpoint]
    right_half = t[midpoint..t.length]

    if midpoint == 0
        return t, 0
    end

    sorted_left_half, left_half_inversion_count = sort_inversion_count(left_half)
    sorted_right_half, right_half_inversion_count = sort_inversion_count(right_half)

    sorted = []
    inversion_count = 0
    while sorted_left_half.length > 0 or sorted_right_half.length > 0
        if sorted_left_half.empty?
            sorted.push sorted_right_half.shift
        elsif sorted_right_half.empty?
            sorted.push sorted_left_half.shift
        else
            if sorted_left_half[0] > sorted_right_half[0]
                inversion_count += sorted_left_half.length
                sorted.push sorted_right_half.shift
            else
                sorted.push sorted_left_half.shift
            end
        end
    end

    return sorted, inversion_count + left_half_inversion_count + right_half_inversion_count
end

И несколько тестовых примеров:

require "minitest/autorun"

class TestCodility < Minitest::Test
    def test_given_example
        a = [-1, 6, 3, 4, 7, 4]
        assert_equal solution(a), 4
    end

    def test_empty
        a = []
        assert_equal solution(a), 0
    end

    def test_singleton
        a = [0]
        assert_equal solution(a), 0
    end

    def test_none
        a = [1,2,3,4,5,6,7]
        assert_equal solution(a), 0
    end

    def test_all
        a = [5,4,3,2,1]
        assert_equal solution(a), 10
    end

    def test_clones
        a = [4,4,4,4,4,4]
        assert_equal solution(a), 0
    end
end

Лучшим оптимизированным способом будет решить эту проблему с помощью сортировки слиянием, при которой слияние произойдет само, мы можем проверить, сколько инверсий требуется, сравнив левый и правый массив. Всякий раз, когда элемент в левом массиве больше, чем элемент в правом массиве, это будет инверсия.

Подход к сортировке слиянием: -

Вот код. Код точно такой же, как сортировка слиянием, за исключением фрагмента кода в mergeToParentметоде, где я считаю инверсию при условии else(left[leftunPicked] < right[rightunPicked])

public class TestInversionThruMergeSort {
    
    static int count =0;

    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {6, 9, 1, 14, 8, 12, 3, 2};
        

        partition(arr);

        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {

            System.out.println(arr[i]);
        }
        
        System.out.println("inversions are "+count);

    }

    public static void partition(int[] arr) {

        if (arr.length > 1) {

            int mid = (arr.length) / 2;
            int[] left = null;

            if (mid > 0) {
                left = new int[mid];

                for (int i = 0; i < mid; i++) {
                    left[i] = arr[i];
                }
            }

            int[] right = new int[arr.length - left.length];

            if ((arr.length - left.length) > 0) {
                int j = 0;
                for (int i = mid; i < arr.length; i++) {
                    right[j] = arr[i];
                    ++j;
                }
            }

            partition(left);
            partition(right);
            mergeToParent(left, right, arr);
        }

    }

    public static void mergeToParent(int[] left, int[] right, int[] parent) {

        int leftunPicked = 0;
        int rightunPicked = 0;
        int parentIndex = -1;

        while (rightunPicked < right.length && leftunPicked < left.length) {

            if (left[leftunPicked] < right[rightunPicked]) {
                parent[++parentIndex] = left[leftunPicked];
                ++leftunPicked;

            } else {
                count = count + left.length-leftunPicked;
                if ((rightunPicked < right.length)) {
                    parent[++parentIndex] = right[rightunPicked];
                    ++rightunPicked;
                }
            }

        }

        while (leftunPicked < left.length) {
            parent[++parentIndex] = left[leftunPicked];
            ++leftunPicked;
        }

        while (rightunPicked < right.length) {
            parent[++parentIndex] = right[rightunPicked];
            ++rightunPicked;
        }

    }

}

Другой подход, при котором мы можем сравнить входной массив с отсортированным массивом: - Это реализация ответа Diablo. Хотя это не должно быть предпочтительным подходом, поскольку удаление n элементов из массива или списка - это журнал (n ^ 2).

import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.Collections;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;


public class TestInversion {

    public static void main(String[] args) {
        
        Integer [] arr1 = {6, 9, 1, 14, 8, 12, 3, 2};
        
        List<Integer> arr = new ArrayList(Arrays.asList(arr1));
        List<Integer> sortArr = new ArrayList<Integer>();
        
        for(int i=0;i<arr.size();i++){
            sortArr.add(arr.get(i));
         
        }
        
            
        Collections.sort(sortArr);
        
        int inversion = 0;
        
        Iterator<Integer> iter = arr.iterator();
        
        while(iter.hasNext()){
            
            Integer el = (Integer)iter.next();
            int index = sortArr.indexOf(el);
            
            if(index+1 > 1){
                inversion = inversion + ((index+1)-1);
            }
            
            //iter.remove();
            sortArr.remove(el);
            
        }
        
        System.out.println("Inversions are "+inversion);
        
        
        

    }


}

Максимальное количество инверсий, возможное для списка размера, nможно обобщить с помощью выражения:

maxPossibleInversions = (n * (n-1) ) / 2

Таким образом, для массива размера 6максимально возможные инверсии будут равны 15.

Чтобы добиться сложности, n lognмы могли бы использовать алгоритм инверсии при сортировке слиянием.

Вот общие шаги:

• Разделить массив на два
• Вызовите процедуру mergeSort. Если элемент в левом подмассиве больше, чем элемент в правом подмассиве, сделайтеinversionCount += leftSubArray.length

Это оно!

Это простой пример, который я сделал с помощью Javascript:

var arr = [6,5,4,3,2,1]; // Sample input array

var inversionCount = 0;

function mergeSort(arr) {
    if(arr.length == 1)
        return arr;

    if(arr.length > 1) {
        let breakpoint = Math.ceil((arr.length/2));
        // Left list starts with 0, breakpoint-1
        let leftList = arr.slice(0,breakpoint);
        // Right list starts with breakpoint, length-1
        let rightList = arr.slice(breakpoint,arr.length);

        // Make a recursive call
        leftList = mergeSort(leftList);
        rightList = mergeSort(rightList);

        var a = merge(leftList,rightList);
        return a;
    }
}

function merge(leftList,rightList) {
    let result = [];
    while(leftList.length && rightList.length) {
        /**
         * The shift() method removes the first element from an array
         * and returns that element. This method changes the length
         * of the array.
         */
        if(leftList[0] <= rightList[0]) {
            result.push(leftList.shift());
        }else{
            inversionCount += leftList.length;
            result.push(rightList.shift());
        }
    }

    while(leftList.length)
        result.push(leftList.shift());

    while(rightList.length)
        result.push(rightList.shift());

    console.log(result);
    return result;
}

mergeSort(arr);
console.log('Number of inversions: ' + inversionCount);

Реализация подсчета инверсий в массиве с сортировкой слиянием в Swift:

Обратите внимание, что количество свопов увеличивается на

nSwaps += mid + 1 - iL 

(что является относительной длиной левой части массива минус индекс текущего элемента в левой части)

... потому что это количество элементов, которые элемент в правой части массива должен был пропустить (количество инверсий), чтобы стать отсортированным.

func merge(arr: inout [Int], arr2: inout [Int], low: Int, mid: Int, high: Int) -> Int {
    var nSwaps = 0;

    var i = low;
    var iL = low;
    var iR = mid + 1;

    while iL <= mid && iR <= high {
        if arr2[iL] <= arr2[iR] {
            arr[i] = arr2[iL]
            iL += 1
            i += 1
        } else {
            arr[i] = arr2[iR]
            nSwaps += mid + 1 - iL
            iR += 1
            i += 1
        }
    }

    while iL <= mid {
        arr[i] = arr2[iL]
        iL += 1
        i += 1
    }

    while iR <= high {
        arr[i] = arr2[iR]
        iR += 1
        i += 1
    }

    return nSwaps
}

func mergeSort(arr: inout [Int]) -> Int {
    var arr2 = arr
    let nSwaps = mergeSort(arr: &arr, arr2: &arr2, low: 0, high: arr.count-1)
    return nSwaps
}

func mergeSort(arr: inout [Int], arr2: inout [Int], low: Int, high: Int) -> Int {

    if low >= high {
        return 0
    }

    let mid = low + ((high - low) / 2)

    var nSwaps = 0;
    nSwaps += mergeSort(arr: &arr2, arr2: &arr, low: low, high: mid)
    nSwaps += mergeSort(arr: &arr2, arr2: &arr, low: mid+1, high: high)
    nSwaps += merge(arr: &arr, arr2: &arr2, low: low, mid: mid, high: high)

    return nSwaps
}

var arrayToSort: [Int] = [2, 1, 3, 1, 2]
let nSwaps = mergeSort(arr: &arrayToSort)

print(arrayToSort) // [1, 1, 2, 2, 3]
print(nSwaps) // 4

Большинство ответов основаны на, MergeSortно это не единственный способ решить эту проблему.O(nlogn)

Обсуду несколько подходов.

1. Использовать Balanced Binary Search Tree

   • Расширьте свое дерево, чтобы сохранить частоты для повторяющихся элементов.
   • Идея состоит в том, чтобы продолжать подсчет больших узлов при переходе дерева от корня к листу для вставки.

Что-то вроде этого.

Node *insert(Node* root, int data, int& count){
    if(!root) return new Node(data);
    if(root->data == data){
        root->freq++;
        count += getSize(root->right);
    }
    else if(root->data > data){
        count += getSize(root->right) + root->freq;
        root->left = insert(root->left, data, count);
    }
    else root->right = insert(root->right, data, count);
    return balance(root);
}

int getCount(int *a, int n){
    int c = 0;
    Node *root = NULL;
    for(auto i=0; i<n; i++) root = insert(root, a[i], c);
    return c;
}

2. Использовать Binary Indexed Tree
   • Создайте суммирующий BIT.
   • Прокрутите цикл с конца и начните подсчет больших элементов.

int getInversions(int[] a) {
    int n = a.length, inversions = 0;
    int[] bit = new int[n+1];
    compress(a);
    BIT b = new BIT();
    for (int i=n-1; i>=0; i--) {
         inversions += b.getSum(bit, a[i] - 1);
         b.update(bit, n, a[i], 1);
     }
     return inversions;
}

3. Использовать Segment Tree
   • Создайте дерево сегментов суммирования.
   • Цикл от конца массива и запрос между [0, a[i]-1]и обновлениемa[i] with 1

int getInversions(int *a, int n) {
    int N = n + 1, c = 0;
    compress(a, n);
    int tree[N<<1] = {0};
    for (int i=n-1; i>=0; i--) {
        c+= query(tree, N, 0, a[i] - 1);
        update(tree, N, a[i], 1);
    }
    return c;
}

Также при использовании BITили Segment-Treeхорошей идеей будет сделатьCoordinate compression

void compress(int *a, int n) {
    int temp[n];
    for (int i=0; i<n; i++) temp[i] = a[i];
    sort(temp, temp+n);
    for (int i=0; i<n; i++) a[i] = lower_bound(temp, temp+n, a[i]) - temp + 1;
}

C ++ Θ (n lg n) Решение с печатью пары, составляющей инверсию count.

int merge(vector<int>&nums , int low , int mid , int high){
    int size1 = mid - low +1;
    int size2= high - mid;
    vector<int>left;
    vector<int>right;
    for(int i = 0  ; i < size1 ; ++i){
        left.push_back(nums[low+i]);
    }
    for(int i = 0 ; i <size2 ; ++i){
        right.push_back(nums[mid+i+1]);
    }
    left.push_back(INT_MAX);
    right.push_back(INT_MAX);
    int i = 0 ;
    int j = 0;
    int start  = low;
    int inversion = 0 ;
    while(i < size1 && j < size2){
        if(left[i]<right[j]){
            nums[start] = left[i];
            start++;
            i++;
        }else{
            for(int l = i ; l < size1; ++l){
                cout<<"("<<left[l]<<","<<right[j]<<")"<<endl;
            }
            inversion += size1 - i;
            nums[start] = right[j];
            start++;
            j++;
        }
    }
    if(i == size1){
        for(int c = j ; c< size2 ; ++c){
            nums[start] = right[c];
            start++;
        }
    }
    if(j == size2){
        for(int c =  i ; c< size1 ; ++c){
            nums[start] = left[c];
            start++;
        }
    }
    return inversion;
}
int inversion_count(vector<int>& nums , int low , int high){
    if(high>low){
        int mid = low + (high-low)/2;
        int left = inversion_count(nums,low,mid);
        int right = inversion_count(nums,mid+1,high);
        int inversion = merge(nums,low,mid,high) + left + right;
        return inversion;
    }
    return 0 ;
}

Используйте сортировку слиянием в инкрементном счетчике шага слияния, если число, скопированное на вывод, находится из правого массива.

Недавно мне пришлось сделать это в R:

inversionNumber <- function(x){
    mergeSort <- function(x){
        if(length(x) == 1){
            inv <- 0
        } else {
            n <- length(x)
            n1 <- ceiling(n/2)
            n2 <- n-n1
            y1 <- mergeSort(x[1:n1])
            y2 <- mergeSort(x[n1+1:n2])
            inv <- y1$inversions + y2$inversions
            x1 <- y1$sortedVector
            x2 <- y2$sortedVector
            i1 <- 1
            i2 <- 1
            while(i1+i2 <= n1+n2+1){
                if(i2 > n2 || i1 <= n1 && x1[i1] <= x2[i2]){
                    x[i1+i2-1] <- x1[i1]
                    i1 <- i1 + 1
                } else {
                    inv <- inv + n1 + 1 - i1
                    x[i1+i2-1] <- x2[i2]
                    i2 <- i2 + 1
                }
            }
        }
        return (list(inversions=inv,sortedVector=x))
    }
    r <- mergeSort(x)
    return (r$inversions)
}