feat: Add the section of Top-K problem (#551)

* Add the section of Top-K problem

* Update my_heap.py

* Update build_heap.md

* Update my_heap.py

codes/cpp/chapter_heap/heap.cpp

@@ -61,5 +61,6 @@ int main() {
     priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> minHeap(input.begin(), input.end());
     cout << "输入列表并建立小顶堆后" << endl;
     printHeap(minHeap);
+
     return 0;
 }

codes/cpp/chapter_heap/my_heap.cpp

@@ -151,4 +151,6 @@ int main() {
     /* 判断堆是否为空 */
     bool isEmpty = maxHeap.empty();
     cout << "\n堆是否为空 " << isEmpty << endl;
+
+    return 0;
 }

codes/cpp/chapter_heap/top_k.cpp

@@ -0,0 +1,37 @@
+/**
+ * File: top_k.cpp
+ * Created Time: 2023-06-12
+ * Author: Krahets (krahets@163.com)
+ */
+
+#include "../utils/common.hpp"
+
+/* 基于堆查找数组中最大的 k 个元素 */
+priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> topKHeap(vector<int> &nums, int k) {
+    priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> heap;
+    // 将数组的前 k 个元素入堆
+    for (int i = 0; i < k; i++) {
+        heap.push(nums[i]);
+    }
+    // 从第 k+1 个元素开始，保持堆的长度为 k
+    for (int i = k; i < nums.size(); i++) {
+        // 若当前元素大于堆顶元素，则将堆顶元素出堆、当前元素入堆
+        if (nums[i] > heap.top()) {
+            heap.pop();
+            heap.push(nums[i]);
+        }
+    }
+    return heap;
+}
+
+// Driver Code
+int main() {
+    vector<int> nums = {1, 7, 6, 3, 2};
+    int k = 3;
+
+    priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> res = topKHeap(nums, k);
+    cout << "最大的 " << k << " 个元素为: ";
+    printHeap(res);
+
+    return 0;
+}

codes/cpp/utils/print_utils.hpp

@@ -13,16 +13,6 @@
 #include <sstream>
 #include <string>
 
-/* Expose the underlying storage of the priority_queue container */
-template <typename T, typename S, typename C> S &Container(priority_queue<T, S, C> &pq) {
-    struct HackedQueue : private priority_queue<T, S, C> {
-        static S &Container(priority_queue<T, S, C> &pq) {
-            return pq.*&HackedQueue::c;
-        }
-    };
-    return HackedQueue::Container(pq);
-}
-
 /* Find an element in a vector */
 template <typename T> int vecFind(const vector<T> &vec, T ele) {
     int j = INT_MAX;
@@ -217,6 +207,16 @@ template <typename TKey, typename TValue> void printHashMap(unordered_map<TKey,
     }
 }
 
+/* Expose the underlying storage of the priority_queue container */
+template <typename T, typename S, typename C> S &Container(priority_queue<T, S, C> &pq) {
+    struct HackedQueue : private priority_queue<T, S, C> {
+        static S &Container(priority_queue<T, S, C> &pq) {
+            return pq.*&HackedQueue::c;
+        }
+    };
+    return HackedQueue::Container(pq);
+}
+
 /* Print a Heap (PriorityQueue) */
 template <typename T, typename S, typename C> void printHeap(priority_queue<T, S, C> &heap) {
     vector<T> vec = Container(heap);

codes/java/chapter_heap/top_k.java

@@ -0,0 +1,39 @@
+/**
+ * File: top_k.java
+ * Created Time: 2023-06-12
+ * Author: Krahets (krahets@163.com)
+ */
+
+package chapter_heap;
+
+import utils.*;
+import java.util.*;
+
+public class top_k {
+    /* 基于堆查找数组中最大的 k 个元素 */
+    static Queue<Integer> topKHeap(int[] nums, int k) {
+        Queue<Integer> heap = new PriorityQueue<Integer>();
+        // 将数组的前 k 个元素入堆
+        for (int i = 0; i < k; i++) {
+            heap.add(nums[i]);
+        }
+        // 从第 k+1 个元素开始，保持堆的长度为 k
+        for (int i = k; i < nums.length; i++) {
+            // 若当前元素大于堆顶元素，则将堆顶元素出堆、当前元素入堆
+            if (nums[i] > heap.peek()) {
+                heap.poll();
+                heap.add(nums[i]);
+            }
+        }
+        return heap;
+    }
+
+    public static void main(String[] args) {
+        int[] nums = { 1, 7, 6, 3, 2 };
+        int k = 3;
+
+        Queue<Integer> res = topKHeap(nums, k);
+        System.out.println("最大的 " + k + " 个元素为");
+        PrintUtil.printHeap(res);
+    }
+}

codes/python/chapter_heap/my_heap.py

@@ -14,7 +14,7 @@ class MaxHeap:
     """大顶堆"""
 
     def __init__(self, nums: list[int]):
-        """构造方法"""
+        """构造方法，根据输入列表建堆"""
         # 将列表元素原封不动添加进堆
         self.max_heap = nums
         # 堆化除叶节点以外的其他所有节点

codes/python/chapter_heap/top_k.py

@@ -0,0 +1,37 @@
+"""
+File: top_k.py
+Created Time: 2023-06-10
+Author: Krahets (krahets@163.com)
+"""
+
+import sys, os.path as osp
+
+sys.path.append(osp.dirname(osp.dirname(osp.abspath(__file__))))
+from modules import *
+
+import heapq
+
+
+def top_k_heap(nums: list[int], k: int) -> list[int]:
+    """基于堆查找数组中最大的 k 个元素"""
+    heap = []
+    # 将数组的前 k 个元素入堆
+    for i in range(k):
+        heapq.heappush(heap, nums[i])
+    # 从第 k+1 个元素开始，保持堆的长度为 k
+    for i in range(k, len(nums)):
+        # 若当前元素大于堆顶元素，则将堆顶元素出堆、当前元素入堆
+        if nums[i] > heap[0]:
+            heapq.heappop(heap)
+            heapq.heappush(heap, nums[i])
+    return heap
+
+
+"""Driver Code"""
+if __name__ == "__main__":
+    nums = [1, 7, 6, 3, 2]
+    k = 3
+
+    res = top_k_heap(nums, k)
+    print(f"最大的 {k} 个元素为")   
+    print_heap(res)

docs/chapter_heap/build_heap.md

@@ -1,4 +1,4 @@
-# 建堆操作 *
+# 建堆操作
 
 如果我们想要根据输入列表生成一个堆，这个过程被称为「建堆」。
 

docs/chapter_heap/top_k.md

@@ -0,0 +1,133 @@
+# Top-K 问题
+
+!!! question
+
+    给定一个长度为 $n$ 无序数组 `nums` ，请返回数组中前 $k$ 大的元素。
+
+对于该问题，我们先介绍两种思路比较直接的解法，再介绍效率更高的堆解法。
+
+## 方法一：遍历选择
+
+我们可以进行 $k$ 轮遍历，分别在每轮中提取第 $1$ , $2$ , $\cdots$ , $k$ 大的元素，时间复杂度为 $O(nk)$ 。
+
+该方法只适用于 $k \ll n$ 的情况，因为当 $k$ 与 $n$ 比较接近时，其时间复杂度趋向于 $O(n^2)$ ，非常耗时。
+
+![遍历寻找最大的 $k$ 个元素](top_k.assets/top_k_traversal.png)
+
+!!! tip
+
+    当 $k = n$ 时，我们可以得到从大到小的序列，等价于「选择排序」算法。 
+
+## 方法二：排序
+
+我们可以对数组 `nums` 进行排序，并返回最右边的 $k$ 个元素，时间复杂度为 $O(n \log n)$ 。
+
+显然，该方法“超额”完成任务了，因为我们只需要找出最大的 $k$ 个元素即可，而不需要排序其他元素。
+
+![排序寻找最大的 $k$ 个元素](top_k.assets/top_k_sorting.png)
+
+## 方法三：堆
+
+我们可以基于堆更加高效地解决 Top-K 问题，流程如下：
+
+1. 初始化一个小顶堆，其堆顶元素最小；
+2. 先将数组的前 $k$ 个元素依次入堆；
+3. 从第 $k + 1$ 个元素开始，若当前元素大于堆顶元素，则将堆顶元素出堆，并将当前元素入堆；
+4. 遍历完成后，堆中保存的就是最大的 $k$ 个元素；
+
+=== "<1>"
+    ![基于堆寻找最大的 $k$ 个元素](top_k.assets/top_k_heap_step1.png)
+
+=== "<2>"
+    ![top_k_heap_step2](top_k.assets/top_k_heap_step2.png)
+
+=== "<3>"
+    ![top_k_heap_step3](top_k.assets/top_k_heap_step3.png)
+
+=== "<4>"
+    ![top_k_heap_step4](top_k.assets/top_k_heap_step4.png)
+
+=== "<5>"
+    ![top_k_heap_step5](top_k.assets/top_k_heap_step5.png)
+
+=== "<6>"
+    ![top_k_heap_step6](top_k.assets/top_k_heap_step6.png)
+
+=== "<7>"
+    ![top_k_heap_step7](top_k.assets/top_k_heap_step7.png)
+
+=== "<8>"
+    ![top_k_heap_step8](top_k.assets/top_k_heap_step8.png)
+
+=== "<9>"
+    ![top_k_heap_step9](top_k.assets/top_k_heap_step9.png)
+
+总共执行了 $n$ 轮入堆和出堆，堆的最大长度为 $k$ ，因此时间复杂度为 $O(n \log k)$ 。该方法的效率很高，当 $k$ 较小时，时间复杂度趋向 $O(n)$ ；当 $k$ 较大时，时间复杂度不会超过 $O(n \log n)$ 。
+
+另外，该方法适用于动态数据流的使用场景。在不断加入数据时，我们可以持续维护堆内的元素，从而实现最大 $k$ 个元素的动态更新。
+
+=== "Java"
+
+    ```java title="top_k.java"
+    [class]{top_k}-[func]{topKHeap}
+    ```
+
+=== "C++"
+
+    ```cpp title="top_k.cpp"
+    [class]{}-[func]{topKHeap}
+    ```
+
+=== "Python"
+
+    ```python title="top_k.py"
+    [class]{}-[func]{top_k_heap}
+    ```
+
+=== "Go"
+
+    ```go title="top_k.go"
+    [class]{maxHeap}-[func]{topKHeap}
+    ```
+
+=== "JavaScript"
+
+    ```javascript title="top_k.js"
+    [class]{}-[func]{topKHeap}
+    ```
+
+=== "TypeScript"
+
+    ```typescript title="top_k.ts"
+    [class]{}-[func]{topKHeap}
+    ```
+
+=== "C"
+
+    ```c title="top_k.c"
+    [class]{maxHeap}-[func]{topKHeap}
+    ```
+
+=== "C#"
+
+    ```csharp title="top_k.cs"
+    [class]{top_k}-[func]{topKHeap}
+    ```
+
+=== "Swift"
+
+    ```swift title="top_k.swift"
+    [class]{}-[func]{topKHeap}
+    ```
+
+=== "Zig"
+
+    ```zig title="top_k.zig"
+    [class]{}-[func]{topKHeap}
+    ```
+
+=== "Dart"
+
+    ```dart title="top_k.dart"
+    [class]{}-[func]{top_k_heap}
+    ```

docs/index.md

@@ -82,7 +82,7 @@ hide:
 
 <h3 align="left"> 作者简介 </h3>
 
-靳宇栋 (Krahets)，大厂高级算法工程师，上海交通大学硕士。力扣（LeetCode）全网阅读量最高博主，其 LeetBook《图解算法数据结构》已被订阅 22 万本。
+靳宇栋 (Krahets)，大厂高级算法工程师，上海交通大学硕士。力扣（LeetCode）全网阅读量最高博主，其 LeetBook《图解算法数据结构》已被订阅 24 万本。
 
 ---
 

mkdocs.yml

@@ -175,8 +175,9 @@ nav:
   - 8.     堆:
     - chapter_heap/index.md
     - 8.1.   堆: chapter_heap/heap.md
-    - 8.2.   建堆操作 *: chapter_heap/build_heap.md
-    - 8.3.   小结: chapter_heap/summary.md
+    - 8.2.   建堆操作: chapter_heap/build_heap.md
+    - 8.3.   Top-K 问题: chapter_heap/top_k.md
+    - 8.4.   小结: chapter_heap/summary.md
   - 9.     图:
     - chapter_graph/index.md
     - 9.1.   图: chapter_graph/graph.md