勇者抽刃向强者的博客

梦是现实的延续,现实是梦的终结

整数转罗马数字

1.题目内容

罗马数字包含以下七种字符: IVXLCDM

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8
字符          数值
I 1
V 5
X 10
L 50
C 100
D 500
M 1000

例如, 罗马数字 2 写做 II ,即为两个并列的 1。12 写做 XII ,即为 X + II 。 27 写做 XXVII, 即为 XX + V + II

通常情况下,罗马数字中小的数字在大的数字的右边。但也存在特例,例如 4 不写做 IIII,而是 IV。数字 1 在数字 5 的左边,所表示的数等于大数 5 减小数 1 得到的数值 4 。同样地,数字 9 表示为 IX。这个特殊的规则只适用于以下六种情况:

  • I 可以放在 V (5) 和 X (10) 的左边,来表示 4 和 9。
  • X 可以放在 L (50) 和 C (100) 的左边,来表示 40 和 90。
  • C 可以放在 D (500) 和 M (1000) 的左边,来表示 400 和 900。

给你一个整数,将其转为罗马数字。

示例 1:

1
2
输入: num = 3
输出: "III"

示例 2:

1
2
输入: num = 4
输出: "IV"

示例 3:

1
2
输入: num = 9
输出: "IX"

示例 4:

1
2
3
输入: num = 58
输出: "LVIII"
解释: L = 50, V = 5, III = 3.

示例 5:

1
2
3
输入: num = 1994
输出: "MCMXCIV"
解释: M = 1000, CM = 900, XC = 90, IV = 4.

提示:

  • 1 <= num <= 3999

2.解法

罗马数字符号

罗马数字由 7 个不同的单字母符号组成,每个符号对应一个具体的数值。此外,减法规则(如问题描述中所述)给出了额外的 6 个复合符号。这给了我们总共 13 个独特的符号(每个符号由 1 个或 2 个字母组成),如下图所示。

fig1

罗马数字的唯一标识法

让我们从一个例子入手。考虑 140 的罗马数字表示,下面哪一个是正确的?

fig2

我们用来确定罗马数字的规则是:对于罗马数字从左到右的每一位,选择尽可能大的符号值。对于 140,最大可以选择的符号值为 C=100。接下来,对于剩余的数字 40,最大可以选择的符号值为 XL=40。因此,140140140 的对应的罗马数字为 C+XL=CXL。

(1)模拟法

思路及算法

根据罗马数字的唯一表示法,为了表示一个给定的整数 num,我们寻找不超过 num 的最大符号值,将 num 减去该符号值,然后继续寻找不超过 num 的最大符号值,将该符号拼接在上一个找到的符号之后,循环直至 num 为 0。最后得到的字符串即为 num 的罗马数字表示。

编程时,可以建立一个数值-符号对的列表 valueSymbols,按数值从大到小排列。遍历 valueSymbols 中的每个数值-符号对,若当前数值 value 不超过 num,则从 num 中不断减去 value,直至 num 小于 value,然后遍历下一个数值-符号对。若遍历中 num 为 0 则跳出循环。

代码

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//C++
const pair<int, string> valueSymbols[] = {
{1000, "M"},
{900, "CM"},
{500, "D"},
{400, "CD"},
{100, "C"},
{90, "XC"},
{50, "L"},
{40, "XL"},
{10, "X"},
{9, "IX"},
{5, "V"},
{4, "IV"},
{1, "I"},
};

class Solution {
public:
string intToRoman(int num) {
string roman;
for (const auto &[value, symbol] : valueSymbols) {
while (num >= value) {
num -= value;
roman += symbol;
}
if (num == 0) {
break;
}
}
return roman;
}
};
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//Java
class Solution {
int[] values = {1000, 900, 500, 400, 100, 90, 50, 40, 10, 9, 5, 4, 1};
String[] symbols = {"M", "CM", "D", "CD", "C", "XC", "L", "XL", "X", "IX", "V", "IV", "I"};

public String intToRoman(int num) {
StringBuffer roman = new StringBuffer();
for (int i = 0; i < values.length; ++i) {
int value = values[i];
String symbol = symbols[i];
while (num >= value) {
num -= value;
roman.append(symbol);
}
if (num == 0) {
break;
}
}
return roman.toString();
}
}

复杂度分析

  • 时间复杂度:O(1)。由于 valueSymbols 长度是固定的,且这 13 字符中的每个字符的出现次数均不会超过 3,因此循环次数有一个确定的上限。对于本题给出的数据范围,循环次数不会超过 15 次。

  • 空间复杂度:O(1)。

(2)硬编码数字

思路及算法

fig3

回顾前言中列出的这 13 个符号,可以发现:

  • 千位数字只能由 M 表示;
  • 百位数字只能由 C,CD,D 和 CM 表示;
  • 十位数字只能由 X,XL,L 和 XC 表示;
  • 个位数字只能由 I,IV,V 和 IX 表示。

这恰好把这 13 个符号分为四组,且组与组之间没有公共的符号。因此,整数 num 的十进制表示中的每一个数字都是可以单独处理的。

进一步地,我们可以计算出每个数字在每个位上的表示形式,整理成一张硬编码表。如下图所示,其中 000 对应的是空字符串。

fig4

利用模运算和除法运算,我们可以得到 num 每个位上的数字:

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thousands_digit = num / 1000
hundreds_digit = (num % 1000) / 100
tens_digit = (num % 100) / 10
ones_digit = num % 10

最后,根据 num 每个位上的数字,在硬编码表中查找对应的罗马字符,并将结果拼接在一起,即为 num 对应的罗马数字。

代码

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//C++
const string thousands[] = {"", "M", "MM", "MMM"};
const string hundreds[] = {"", "C", "CC", "CCC", "CD", "D", "DC", "DCC", "DCCC", "CM"};
const string tens[] = {"", "X", "XX", "XXX", "XL", "L", "LX", "LXX", "LXXX", "XC"};
const string ones[] = {"", "I", "II", "III", "IV", "V", "VI", "VII", "VIII", "IX"};

class Solution {
public:
string intToRoman(int num) {
return thousands[num / 1000] + hundreds[num % 1000 / 100] + tens[num % 100 / 10] + ones[num % 10];
}
};
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//Java
class Solution {
String[] thousands = {"", "M", "MM", "MMM"};
String[] hundreds = {"", "C", "CC", "CCC", "CD", "D", "DC", "DCC", "DCCC", "CM"};
String[] tens = {"", "X", "XX", "XXX", "XL", "L", "LX", "LXX", "LXXX", "XC"};
String[] ones = {"", "I", "II", "III", "IV", "V", "VI", "VII", "VIII", "IX"};

public String intToRoman(int num) {
StringBuffer roman = new StringBuffer();
roman.append(thousands[num / 1000]);
roman.append(hundreds[num % 1000 / 100]);
roman.append(tens[num % 100 / 10]);
roman.append(ones[num % 10]);
return roman.toString();
}
}

复杂度分析

  • 时间复杂度:O(1)。计算量与输入数字的大小无关。
  • 空间复杂度:O(1)。

维修数据库有感

MySQL报错:2002 - Can‘t connect to server on ‘localhost‘(10061)

今天上午,我在Navicat连接数据库的时候发现报错“2002 - Can‘t connect to server on ‘localhost‘(10061)”,一开始我照CSDN的方法在计算机管理的服务中找到MYSQL并点击启动,结果还是运行不了。同时我也发现即使我输入了正确的数据库登陆密码也会报错“Can‘t connect to server on ‘localhost‘(10061)”,所以就需要下面的方法来解决这个问题。

维修方法

  1. 以管理员身份运行cmd,并用cd命令切换到mysql的bin目录下;

  2. 输入命令mysql -u root -p,登录mysql,输入密码,会返回ERROR 2003 (HY000):Can't connect to MySQL server on localhost (10061);

  3. 将mysql加入到Windows的服务中。切换到mysql安装目录下的bin文件夹,命令行运行mysqld --install;

  4. 初始化mysql数据库,输入mysqld --initialize --user=root --console最后面的 root@localhost后的文字为初始化后的root 密码,一定要记住;

  5. 此时使用net start mysql成功启动mysql;

  6. 用生成的密码登录mysql,这样的话就可以成功重新登陆数据库了。

但是这样的话,又会遇到一个问题:生成的密码是无序且复杂的,所以需要我们自己手动更改mysql的密码,由于本人的mysql是8.0以上的版本,因此mysql5.0版本的set password=password('新密码')不能使用,接下来就讲一下mysql8.0是怎么更改密码的。

更改数据库密码

  1. 以管理员身份运行cmd,并用cd命令切换到mysql的bin目录下;
  2. 输入mysql -u root -p,并输入原先的密码,登录mysql;
  3. 输入use mysql 连接数据库;
  4. 输入 ALTER USER 'root'@'localhost' IDENTIFIED WITH mysql_native_password BY '新的密码'; FLUSH PRIVILEGES;注意最后的“;”不能去掉;
  5. 输入flush privileges; 刷新权限,这里也要注意最后的“;”不能去掉 ;
  6. 输入quit停止;
  7. 输入net start mysql启动我的数据库;
  8. 输入mysqladmin -u root -p shutdown,这里的密码是新设置的密码;
  9. 输入 net start mysql 启动mysql,输入mysql -u root -p,回车后输入新设置的密码,这样就可以成功修改密码了。

接雨水

1.题目内容

给定 n 个非负整数表示每个宽度为 1 的柱子的高度图,计算按此排列的柱子,下雨之后能接多少雨水。

示例 1:

img

1
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3
输入:height = [0,1,0,2,1,0,1,3,2,1,2,1]
输出:6
解释:上面是由数组 [0,1,0,2,1,0,1,3,2,1,2,1] 表示的高度图,在这种情况下,可以接 6 个单位的雨水(蓝色部分表示雨水)。

示例 2:

1
2
输入:height = [4,2,0,3,2,5]
输出:9

提示:

  • n == height.length
  • 1 <= n <= 2 * 104
  • 0 <= height[i] <= 105

2.解法

(1)动态规划

思路及算法

对于下标 i,下雨后水能到达的最大高度等于下标 i 两边的最大高度的最小值,下标 iii 处能接的雨水量等于下标 i 处的水能到达的最大高度减去 height[i]。

朴素的做法是对于数组 height 中的每个元素,分别向左和向右扫描并记录左边和右边的最大高度,然后计算每个下标位置能接的雨水量。假设数组 height 的长度为 n,该做法需要对每个下标位置使用 O(n) 的时间向两边扫描并得到最大高度,因此总时间复杂度是 O(n^2^)。

上述做法的时间复杂度较高是因为需要对每个下标位置都向两边扫描。如果已经知道每个位置两边的最大高度,则可以在 O(n) 的时间内得到能接的雨水总量。使用动态规划的方法,可以在 O(n) 的时间内预处理得到每个位置两边的最大高度。

创建两个长度为 n 的数组 leftMax 和 rightMax。对于 0≤i<n,leftMax[i] 表示下标 iii 及其左边的位置中,height 的最大高度,rightMax[i] 表示下标 i 及其右边的位置中,height 的最大高度。

显然,leftMax[0]=height[0],rightMax[n−1]=height[n−1]。两个数组的其余元素的计算如下:

  • 当 1≤i≤n−1 时,leftMax[i]=max⁡(leftMax[i−1],height[i]);

  • 当 0≤i≤n−2 时,rightMax[i]=max⁡(rightMax[i+1],height[i])。

因此可以正向遍历数组 height 得到数组 leftMax 的每个元素值,反向遍历数组 height 得到数组 rightMax 的每个元素值。

在得到数组 leftMax 和 rightMax 的每个元素值之后,对于 0≤i<n,下标 i 处能接的雨水量等于 min⁡(leftMax[i],rightMax[i])−height[i]。遍历每个下标位置即可得到能接的雨水总量。

动态规划做法可以由下图体现。fig1

代码

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//C++
class Solution {
public:
int trap(vector<int>& height) {
int n = height.size();
if (n == 0) {
return 0;
}
vector<int> leftMax(n);
leftMax[0] = height[0];
for (int i = 1; i < n; ++i) {
leftMax[i] = max(leftMax[i - 1], height[i]);
}

vector<int> rightMax(n);
rightMax[n - 1] = height[n - 1];
for (int i = n - 2; i >= 0; --i) {
rightMax[i] = max(rightMax[i + 1], height[i]);
}

int ans = 0;
for (int i = 0; i < n; ++i) {
ans += min(leftMax[i], rightMax[i]) - height[i];
}
return ans;
}
};
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//Java
class Solution {
public int trap(int[] height) {
int n = height.length;
if (n == 0) {
return 0;
}

int[] leftMax = new int[n];
leftMax[0] = height[0];
for (int i = 1; i < n; ++i) {
leftMax[i] = Math.max(leftMax[i - 1], height[i]);
}

int[] rightMax = new int[n];
rightMax[n - 1] = height[n - 1];
for (int i = n - 2; i >= 0; --i) {
rightMax[i] = Math.max(rightMax[i + 1], height[i]);
}

int ans = 0;
for (int i = 0; i < n; ++i) {
ans += Math.min(leftMax[i], rightMax[i]) - height[i];
}
return ans;
}
}

复杂度分析

  • 时间复杂度:O(n),其中 n 是数组 height 的长度。计算数组 leftMax 和 rightMax 的元素值各需要遍历数组 height 一次,计算能接的雨水总量还需要遍历一次。

  • 空间复杂度:O(n),其中 n 是数组 height 的长度。需要创建两个长度为 n 的数组 leftMax 和 rightMax。

(2)单调栈

思路及算法

除了计算并存储每个位置两边的最大高度以外,也可以用单调栈计算能接的雨水总量。

维护一个单调栈,单调栈存储的是下标,满足从栈底到栈顶的下标对应的数组 height 中的元素递减。

从左到右遍历数组,遍历到下标 i 时,如果栈内至少有两个元素,记栈顶元素为 top,top 的下面一个元素是 left,则一定有 height[left]≥height[top]。如果 height[i]>height[top],则得到一个可以接雨水的区域,该区域的宽度是 i−left−1,高度是 min⁡(height[left],height[i])−height[top],根据宽度和高度即可计算得到该区域能接的雨水量。

为了得到 left,需要将 top 出栈。在对 top 计算能接的雨水量之后,left 变成新的 top,重复上述操作,直到栈变为空,或者栈顶下标对应的 height 中的元素大于或等于 height[i]。

在对下标 i 处计算能接的雨水量之后,将 iii 入栈,继续遍历后面的下标,计算能接的雨水量。遍历结束之后即可得到能接的雨水总量。

代码

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//C++
class Solution {
public:
int trap(vector<int>& height) {
int ans = 0;
stack<int> stk;
int n = height.size();
for (int i = 0; i < n; ++i) {
while (!stk.empty() && height[i] > height[stk.top()]) {
int top = stk.top();
stk.pop();
if (stk.empty()) {
break;
}
int left = stk.top();
int currWidth = i - left - 1;
int currHeight = min(height[left], height[i]) - height[top];
ans += currWidth * currHeight;
}
stk.push(i);
}
return ans;
}
};
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//Java
class Solution {
public int trap(int[] height) {
int ans = 0;
Deque<Integer> stack = new LinkedList<Integer>();
int n = height.length;
for (int i = 0; i < n; ++i) {
while (!stack.isEmpty() && height[i] > height[stack.peek()]) {
int top = stack.pop();
if (stack.isEmpty()) {
break;
}
int left = stack.peek();
int currWidth = i - left - 1;
int currHeight = Math.min(height[left], height[i]) - height[top];
ans += currWidth * currHeight;
}
stack.push(i);
}
return ans;
}
}

复杂度分析

  • 时间复杂度:O(n),其中 n 是数组 height 的长度。从 0 到 n−1 的每个下标最多只会入栈和出栈各一次。

  • 空间复杂度:O(n),其中 n 是数组 height 的长度。空间复杂度主要取决于栈空间,栈的大小不会超过 n。

(3)双指针

思路及算法

动态规划的做法中,需要维护两个数组 leftMax 和 rightMax,因此空间复杂度是 O(n)。是否可以将空间复杂度降到 O(1)?

注意到下标 iii 处能接的雨水量由 leftMax[i] 和 rightMax[i] 中的最小值决定。由于数组 leftMax 是从左往右计算,数组 rightMax 是从右往左计算,因此可以使用双指针和两个变量代替两个数组。

维护两个指针 left 和 right,以及两个变量 leftMax 和 rightMax,初始时 left=0,right=n−1,leftMax=0,rightMax=0。指针 left 只会向右移动,指针 right 只会向左移动,在移动指针的过程中维护两个变量 leftMax 和 rightMax 的值。

当两个指针没有相遇时,进行如下操作:

使用 height[left] 和 height[right] 的值更新 leftMax 和 rightMax 的值;

如果 height[left]<height[right],则必有 leftMax<rightMax,下标 left 处能接的雨水量等于 leftMax−height[left],将下标 left 处能接的雨水量加到能接的雨水总量,然后将 left 加 1(即向右移动一位);

如果 height[left]≥height[right],则必有 leftMax≥rightMax,下标 right 处能接的雨水量等于 rightMax−height[right],将下标 right 处能接的雨水量加到能接的雨水总量,然后将 right 减 1(即向左移动一位)。

当两个指针相遇时,即可得到能接的雨水总量。

代码

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//C++
class Solution {
public:
int trap(vector<int>& height) {
int ans = 0;
int left = 0, right = height.size() - 1;
int leftMax = 0, rightMax = 0;
while (left < right) {
leftMax = max(leftMax, height[left]);
rightMax = max(rightMax, height[right]);
if (height[left] < height[right]) {
ans += leftMax - height[left];
++left;
} else {
ans += rightMax - height[right];
--right;
}
}
return ans;
}
};
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//Java
class Solution {
public int trap(int[] height) {
int ans = 0;
int left = 0, right = height.length - 1;
int leftMax = 0, rightMax = 0;
while (left < right) {
leftMax = Math.max(leftMax, height[left]);
rightMax = Math.max(rightMax, height[right]);
if (height[left] < height[right]) {
ans += leftMax - height[left];
++left;
} else {
ans += rightMax - height[right];
--right;
}
}
return ans;
}
}

复杂度分析

  • 时间复杂度:O(n),其中 n 是数组 height 的长度。两个指针的移动总次数不超过 n。

  • 空间复杂度:O(1)。只需要使用常数的额外空间。

分发糖果

1.题目内容

n 个孩子站成一排。给你一个整数数组 ratings 表示每个孩子的评分。

你需要按照以下要求,给这些孩子分发糖果:

  • 每个孩子至少分配到 1 个糖果。
  • 相邻两个孩子评分更高的孩子会获得更多的糖果。

请你给每个孩子分发糖果,计算并返回需要准备的 最少糖果数目

示例 1:

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输入:ratings = [1,0,2]
输出:5
解释:你可以分别给第一个、第二个、第三个孩子分发 2、1、2 颗糖果。

示例 2:

1
2
3
4
输入:ratings = [1,2,2]
输出:4
解释:你可以分别给第一个、第二个、第三个孩子分发 1、2、1 颗糖果。
第三个孩子只得到 1 颗糖果,这满足题面中的两个条件。

提示:

  • n == ratings.length
  • 1 <= n <= 2 * 104
  • 0 <= ratings[i] <= 2 * 104

2.解法

(1)两次遍历

思路及算法

我们可以将「相邻的孩子中,评分高的孩子必须获得更多的糖果」这句话拆分为两个规则,分别处理。

  • 左规则:当 ratings[i−1]<ratings[i] 时,iii 号学生的糖果数量将比 i−1 号孩子的糖果数量多。

  • 右规则:当 ratings[i]>ratings[i+1] 时,iii 号学生的糖果数量将比 i+1 号孩子的糖果数量多。

我们遍历该数组两次,处理出每一个学生分别满足左规则或右规则时,最少需要被分得的糖果数量。每个人最终分得的糖果数量即为这两个数量的最大值。

具体地,以左规则为例:我们从左到右遍历该数组,假设当前遍历到位置 i,如果有 ratings[i−1]<ratings[i] 那么 iii 号学生的糖果数量将比 i−1 号孩子的糖果数量多,我们令 left[i]=left[i−1]+1 即可,否则我们令 left[i]=1。

在实际代码中,我们先计算出左规则 left 数组,在计算右规则的时候只需要用单个变量记录当前位置的右规则,同时计算答案即可。

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//C++
class Solution {
public:
int candy(vector<int>& ratings) {
int n = ratings.size();
vector<int> left(n);
for (int i = 0; i < n; i++) {
if (i > 0 && ratings[i] > ratings[i - 1]) {
left[i] = left[i - 1] + 1;
} else {
left[i] = 1;
}
}
int right = 0, ret = 0;
for (int i = n - 1; i >= 0; i--) {
if (i < n - 1 && ratings[i] > ratings[i + 1]) {
right++;
} else {
right = 1;
}
ret += max(left[i], right);
}
return ret;
}
};
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//Java
class Solution {
public int candy(int[] ratings) {
int n = ratings.length;
int[] left = new int[n];
for (int i = 0; i < n; i++) {
if (i > 0 && ratings[i] > ratings[i - 1]) {
left[i] = left[i - 1] + 1;
} else {
left[i] = 1;
}
}
int right = 0, ret = 0;
for (int i = n - 1; i >= 0; i--) {
if (i < n - 1 && ratings[i] > ratings[i + 1]) {
right++;
} else {
right = 1;
}
ret += Math.max(left[i], right);
}
return ret;
}
}

复杂度分析

  • 时间复杂度:O(n),其中 n 是孩子的数量。我们需要遍历两次数组以分别计算满足左规则或右规则的最少糖果数量。

  • 空间复杂度:O(n),其中 n 是孩子的数量。我们需要保存所有的左规则对应的糖果数量。

(2)常数空间遍历

思路及算法

注意到糖果总是尽量少给,且从 1 开始累计,每次要么比相邻的同学多给一个,要么重新置为 1。依据此规则,我们可以画出下图:

fig1

其中相同颜色的柱状图的高度总恰好为 1,2,3…。

而高度也不一定一定是升序,也可能是 …3,2,1 的降序:

fig2

注意到在上图中,对于第三个同学,他既可以被认为是属于绿色的升序部分,也可以被认为是属于蓝色的降序部分。因为他同时比两边的同学评分更高。我们对序列稍作修改:

fig3

注意到右边的升序部分变长了,使得第三个同学不得不被分配 4 个糖果。

依据前面总结的规律,我们可以提出本题的解法。我们从左到右枚举每一个同学,记前一个同学分得的糖果数量为 pre:

  • 如果当前同学比上一个同学评分高,说明我们就在最近的递增序列中,直接分配给该同学 pre+1 个糖果即可。

  • 否则我们就在一个递减序列中,我们直接分配给当前同学一个糖果,并把该同学所在的递减序列中所有的同学都再多分配一个糖果,以保证糖果数量还是满足条件。

    • 我们无需显式地额外分配糖果,只需要记录当前的递减序列长度,即可知道需要额外分配的糖果数量。
    • 同时注意当当前的递减序列长度和上一个递增序列等长时,需要把最近的递增序列的最后一个同学也并进递减序列中。

这样,我们只要记录当前递减序列的长度 dec,最近的递增序列的长度 inc 和前一个同学分得的糖果数量 pre即可。

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//C++
class Solution {
public:
int candy(vector<int>& ratings) {
int n = ratings.size();
int ret = 1;
int inc = 1, dec = 0, pre = 1;
for (int i = 1; i < n; i++) {
if (ratings[i] >= ratings[i - 1]) {
dec = 0;
pre = ratings[i] == ratings[i - 1] ? 1 : pre + 1;
ret += pre;
inc = pre;
} else {
dec++;
if (dec == inc) {
dec++;
}
ret += dec;
pre = 1;
}
}
return ret;
}
};
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//Java
class Solution {
public int candy(int[] ratings) {
int n = ratings.length;
int ret = 1;
int inc = 1, dec = 0, pre = 1;
for (int i = 1; i < n; i++) {
if (ratings[i] >= ratings[i - 1]) {
dec = 0;
pre = ratings[i] == ratings[i - 1] ? 1 : pre + 1;
ret += pre;
inc = pre;
} else {
dec++;
if (dec == inc) {
dec++;
}
ret += dec;
pre = 1;
}
}
return ret;
}
}

复杂度分析

  • 时间复杂度:O(n),其中 n 是孩子的数量。我们需要遍历两次数组以分别计算满足左规则或右规则的最少糖果数量。

  • 空间复杂度:O(1)。我们只需要常数的空间保存若干变量。

N皇后问题

1.题目内容

按照国际象棋的规则,皇后可以攻击与之处在同一行或同一列或同一斜线上的棋子。

n 皇后问题 研究的是如何将 n 个皇后放置在 n×n 的棋盘上,并且使皇后彼此之间不能相互攻击。

给你一个整数 n ,返回所有不同的 n 皇后问题 的解决方案。

每一种解法包含一个不同的 n 皇后问题 的棋子放置方案,该方案中 'Q''.' 分别代表了皇后和空位。

示例 1:

img

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输入:n = 4
输出:[[".Q..","...Q","Q...","..Q."],["..Q.","Q...","...Q",".Q.."]]
解释:如上图所示,4 皇后问题存在两个不同的解法。

示例 2:

1
2
输入:n = 1
输出:[["Q"]]

提示:

  • 1 <= n <= 9

2.题解

前言

「N 皇后问题」研究的是如何将 N 个皇后放置在 N×N 的棋盘上,并且使皇后彼此之间不能相互攻击。

皇后的走法是:可以横直斜走,格数不限。因此要求皇后彼此之间不能相互攻击,等价于要求任何两个皇后都不能在同一行、同一列以及同一条斜线上。

直观的做法是暴力枚举将 N 个皇后放置在 N×N 的棋盘上的所有可能的情况,并对每一种情况判断是否满足皇后彼此之间不相互攻击。暴力枚举的时间复杂度是非常高的,因此必须利用限制条件加以优化。

显然,每个皇后必须位于不同行和不同列,因此将 N 个皇后放置在 N×N 的棋盘上,一定是每一行有且仅有一个皇后,每一列有且仅有一个皇后,且任何两个皇后都不能在同一条斜线上。基于上述发现,可以通过回溯的方式寻找可能的解。

回溯的具体做法是:使用一个数组记录每行放置的皇后的列下标,依次在每一行放置一个皇后。每次新放置的皇后都不能和已经放置的皇后之间有攻击:即新放置的皇后不能和任何一个已经放置的皇后在同一列以及同一条斜线上,并更新数组中的当前行的皇后列下标。当 N 个皇后都放置完毕,则找到一个可能的解。当找到一个可能的解之后,将数组转换成表示棋盘状态的列表,并将该棋盘状态的列表加入返回列表。

由于每个皇后必须位于不同列,因此已经放置的皇后所在的列不能放置别的皇后。第一个皇后有 N 列可以选择,第二个皇后最多有 N−1 列可以选择,第三个皇后最多有 N−2 列可以选择(如果考虑到不能在同一条斜线上,可能的选择数量更少),因此所有可能的情况不会超过 N! 种,遍历这些情况的时间复杂度是 O(N!)。

为了降低总时间复杂度,每次放置皇后时需要快速判断每个位置是否可以放置皇后,显然,最理想的情况是在 O(1) 的时间内判断该位置所在的列和两条斜线上是否已经有皇后。

以下两种方法分别使用集合和位运算对皇后的放置位置进行判断,都可以在 O(1) 的时间内判断一个位置是否可以放置皇后,算法的总时间复杂度都是 O(N!)。

基于集合的回溯

思路及算法

为了判断一个位置所在的列和两条斜线上是否已经有皇后,使用三个集合 columns、diagonals1和 diagonals2 分别记录每一列以及两个方向的每条斜线上是否有皇后。

列的表示法很直观,一共有 N 列,每一列的下标范围从 0 到 N−1,使用列的下标即可明确表示每一列。

如何表示两个方向的斜线呢?对于每个方向的斜线,需要找到斜线上的每个位置的行下标与列下标之间的关系。

方向一的斜线为从左上到右下方向,同一条斜线上的每个位置满足行下标与列下标之差相等,例如 (0,0) 和 (3,3) 在同一条方向一的斜线上。因此使用行下标与列下标之差即可明确表示每一条方向一的斜线。

fig1

方向二的斜线为从右上到左下方向,同一条斜线上的每个位置满足行下标与列下标之和相等,例如 (3,0) 和 (1,2) 在同一条方向二的斜线上。因此使用行下标与列下标之和即可明确表示每一条方向二的斜线。

fig2

每次放置皇后时,对于每个位置判断其是否在三个集合中,如果三个集合都不包含当前位置,则当前位置是可以放置皇后的位置。

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//C++
class Solution {
public:
vector<vector<string>> solveNQueens(int n) {
auto solutions = vector<vector<string>>();
auto queens = vector<int>(n, -1);
auto columns = unordered_set<int>();
auto diagonals1 = unordered_set<int>();
auto diagonals2 = unordered_set<int>();
backtrack(solutions, queens, n, 0, columns, diagonals1, diagonals2);
return solutions;
}

void backtrack(vector<vector<string>> &solutions, vector<int> &queens, int n, int row, unordered_set<int> &columns, unordered_set<int> &diagonals1, unordered_set<int> &diagonals2) {
if (row == n) {
vector<string> board = generateBoard(queens, n);
solutions.push_back(board);
} else {
for (int i = 0; i < n; i++) {
if (columns.find(i) != columns.end()) {
continue;
}
int diagonal1 = row - i;
if (diagonals1.find(diagonal1) != diagonals1.end()) {
continue;
}
int diagonal2 = row + i;
if (diagonals2.find(diagonal2) != diagonals2.end()) {
continue;
}
queens[row] = i;
columns.insert(i);
diagonals1.insert(diagonal1);
diagonals2.insert(diagonal2);
backtrack(solutions, queens, n, row + 1, columns, diagonals1, diagonals2);
queens[row] = -1;
columns.erase(i);
diagonals1.erase(diagonal1);
diagonals2.erase(diagonal2);
}
}
}

vector<string> generateBoard(vector<int> &queens, int n) {
auto board = vector<string>();
for (int i = 0; i < n; i++) {
string row = string(n, '.');
row[queens[i]] = 'Q';
board.push_back(row);
}
return board;
}
};
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//Java
class Solution {
public List<List<String>> solveNQueens(int n) {
List<List<String>> solutions = new ArrayList<List<String>>();
int[] queens = new int[n];
Arrays.fill(queens, -1);
Set<Integer> columns = new HashSet<Integer>();
Set<Integer> diagonals1 = new HashSet<Integer>();
Set<Integer> diagonals2 = new HashSet<Integer>();
backtrack(solutions, queens, n, 0, columns, diagonals1, diagonals2);
return solutions;
}

public void backtrack(List<List<String>> solutions, int[] queens, int n, int row, Set<Integer> columns, Set<Integer> diagonals1, Set<Integer> diagonals2) {
if (row == n) {
List<String> board = generateBoard(queens, n);
solutions.add(board);
} else {
for (int i = 0; i < n; i++) {
if (columns.contains(i)) {
continue;
}
int diagonal1 = row - i;
if (diagonals1.contains(diagonal1)) {
continue;
}
int diagonal2 = row + i;
if (diagonals2.contains(diagonal2)) {
continue;
}
queens[row] = i;
columns.add(i);
diagonals1.add(diagonal1);
diagonals2.add(diagonal2);
backtrack(solutions, queens, n, row + 1, columns, diagonals1, diagonals2);
queens[row] = -1;
columns.remove(i);
diagonals1.remove(diagonal1);
diagonals2.remove(diagonal2);
}
}
}

public List<String> generateBoard(int[] queens, int n) {
List<String> board = new ArrayList<String>();
for (int i = 0; i < n; i++) {
char[] row = new char[n];
Arrays.fill(row, '.');
row[queens[i]] = 'Q';
board.add(new String(row));
}
return board;
}
}

复杂度分析

  • 时间复杂度:O(N!),其中 N 是皇后数量。

  • 空间复杂度:O(N),其中 N 是皇后数量。空间复杂度主要取决于递归调用层数、记录每行放置的皇后的列下标的数组以及三个集合,递归调用层数不会超过 N,数组的长度为 N,每个集合的元素个数都不会超过 N。

小结

回顾这道题,拿到这道题的时候,其实我们很容易看出需要使用枚举的方法来求解这个问题,当我们不知道用什么办法来枚举是最优的时候,可以从下面三个方向考虑:

  • 子集枚举:可以把问题转化成「从 n^2^ 个格子中选一个子集,使得子集中恰好有 n 个格子,且任意选出两个都不在同行、同列或者同对角线」,这里枚举的规模是 2的 n^2^ 次方;
  • 组合枚举:可以把问题转化成「从 n^2^ 个格子中选择 n 个,且任意选出两个都不在同行、同列或者同对角线」,这里的枚举规模是 $$
    \begin{pmatrix}
    n^2&\
    &n\
    \end{pmatrix}
    $$;
  • 排列枚举:因为这里每行只能放置一个皇后,而所有行中皇后的列号正好构成一个 1 到 n 的排列,所以我们可以把问题转化为一个排列枚举,规模是 n!。

带入一些 n 进这三种方法验证,就可以知道哪种方法的枚举规模是最小的,这里我们发现第三种方法的枚举规模最小。这道题给出的两个方法其实和排列枚举的本质是类似的。

加油站

1.题目内容

在一条环路上有 n 个加油站,其中第 i 个加油站有汽油 gas[i] 升。

你有一辆油箱容量无限的的汽车,从第 i 个加油站开往第 i+1 个加油站需要消耗汽油 cost[i] 升。你从其中的一个加油站出发,开始时油箱为空。

给定两个整数数组 gascost ,如果你可以按顺序绕环路行驶一周,则返回出发时加油站的编号,否则返回 -1 。如果存在解,则 保证 它是 唯一 的。

示例 1:

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输入: gas = [1,2,3,4,5], cost = [3,4,5,1,2]
输出: 3
解释:
从 3 号加油站(索引为 3 处)出发,可获得 4 升汽油。此时油箱有 = 0 + 4 = 4 升汽油
开往 4 号加油站,此时油箱有 4 - 1 + 5 = 8 升汽油
开往 0 号加油站,此时油箱有 8 - 2 + 1 = 7 升汽油
开往 1 号加油站,此时油箱有 7 - 3 + 2 = 6 升汽油
开往 2 号加油站,此时油箱有 6 - 4 + 3 = 5 升汽油
开往 3 号加油站,你需要消耗 5 升汽油,正好足够你返回到 3 号加油站。
因此,3 可为起始索引。

示例 2:

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输入: gas = [2,3,4], cost = [3,4,3]
输出: -1
解释:
你不能从 0 号或 1 号加油站出发,因为没有足够的汽油可以让你行驶到下一个加油站。
我们从 2 号加油站出发,可以获得 4 升汽油。 此时油箱有 = 0 + 4 = 4 升汽油
开往 0 号加油站,此时油箱有 4 - 3 + 2 = 3 升汽油
开往 1 号加油站,此时油箱有 3 - 3 + 3 = 3 升汽油
你无法返回 2 号加油站,因为返程需要消耗 4 升汽油,但是你的油箱只有 3 升汽油。
因此,无论怎样,你都不可能绕环路行驶一周。

提示:

  • gas.length == n
  • cost.length == n
  • 1 <= n <= 105
  • 0 <= gas[i], cost[i] <= 104

2.解法

一次遍历

思路及算法

最容易想到的解法是:从头到尾遍历每个加油站,并检查以该加油站为起点,最终能否行驶一周。我们可以通过减小被检查的加油站数目,来降低总的时间复杂度。假设我们此前发现,从加油站 x 出发,每经过一个加油站就加一次油(包括起始加油站),最后一个可以到达的加油站是 y(不妨设 x<y)。这就说明:

$\sum\limits_{i=x}^y gas[i]$ < $\sum\limits_{i=x}^y cost[i]$

$\sum\limits_{i=x}^j gas[i]$ $\ge$ $\sum\limits_{i=x}^j cost[i]$

第一个式子表明无法到达加油站 y 的下一个加油站,第二个式子表明可以到达 y 以及 y 之前的所有加油站。

现在,考虑任意一个位于 x,y 之间的加油站 z(包括 x 和 y),我们现在考察从该加油站出发,能否到达加油站 y 的下一个加油站,也就是要判断 $\sum\limits_{i=z}^y gas[i]$与 $\sum\limits_{i=z}^y cost[i]$之间的大小关系:

$\sum\limits_{i=z}^y gas[i]$ = $\sum\limits_{i=z}^y cost[i]$

代码

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//C++
class Solution {
public:
int canCompleteCircuit(vector<int>& gas, vector<int>& cost) {
int n = gas.size();
int i = 0;
while (i < n) {
int sumOfGas = 0, sumOfCost = 0;
int cnt = 0;
while (cnt < n) {
int j = (i + cnt) % n;
sumOfGas += gas[j];
sumOfCost += cost[j];
if (sumOfCost > sumOfGas) {
break;
}
cnt++;
}
if (cnt == n) {
return i;
} else {
i = i + cnt + 1;
}
}
return -1;
}
};
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//Java
class Solution {
public int canCompleteCircuit(int[] gas, int[] cost) {
int n = gas.length;
int i = 0;
while (i < n) {
int sumOfGas = 0, sumOfCost = 0;
int cnt = 0;
while (cnt < n) {
int j = (i + cnt) % n;
sumOfGas += gas[j];
sumOfCost += cost[j];
if (sumOfCost > sumOfGas) {
break;
}
cnt++;
}
if (cnt == n) {
return i;
} else {
i = i + cnt + 1;
}
}
return -1;
}
}

复杂度分析

  • 时间复杂度:O(N),其中 N 为数组的长度。我们对数组进行了单次遍历。
  • 空间复杂度:O(1)。

O(1)时间插入、删除和获取随机元素

1.题目内容

实现RandomizedSet 类:

  • RandomizedSet() 初始化 RandomizedSet 对象
  • bool insert(int val) 当元素 val 不存在时,向集合中插入该项,并返回 true ;否则,返回 false
  • bool remove(int val) 当元素 val 存在时,从集合中移除该项,并返回 true ;否则,返回 false
  • int getRandom() 随机返回现有集合中的一项(测试用例保证调用此方法时集合中至少存在一个元素)。每个元素应该有 相同的概率 被返回。

你必须实现类的所有函数,并满足每个函数的 平均 时间复杂度为 O(1)

示例:

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输入
["RandomizedSet", "insert", "remove", "insert", "getRandom", "remove", "insert", "getRandom"]
[[], [1], [2], [2], [], [1], [2], []]
输出
[null, true, false, true, 2, true, false, 2]

解释
RandomizedSet randomizedSet = new RandomizedSet();
randomizedSet.insert(1); // 向集合中插入 1 。返回 true 表示 1 被成功地插入。
randomizedSet.remove(2); // 返回 false ,表示集合中不存在 2 。
randomizedSet.insert(2); // 向集合中插入 2 。返回 true 。集合现在包含 [1,2] 。
randomizedSet.getRandom(); // getRandom 应随机返回 1 或 2 。
randomizedSet.remove(1); // 从集合中移除 1 ,返回 true 。集合现在包含 [2] 。
randomizedSet.insert(2); // 2 已在集合中,所以返回 false 。
randomizedSet.getRandom(); // 由于 2 是集合中唯一的数字,getRandom 总是返回 2 。

提示:

  • -231 <= val <= 231 - 1
  • 最多调用 insertremovegetRandom 函数 2 * ``105
  • 在调用 getRandom 方法时,数据结构中 至少存在一个 元素。

2.解法

变长数组+哈希表

思路及算法

这道题要求实现一个类,满足插入、删除和获取随机元素操作的平均时间复杂度为 O(1)。

变长数组可以在 O(1) 的时间内完成获取随机元素操作,但是由于无法在 O(1) 的时间内判断元素是否存在,因此不能在 O(1) 的时间内完成插入和删除操作。哈希表可以在 O(1) 的时间内完成插入和删除操作,但是由于无法根据下标定位到特定元素,因此不能在 O(1) 的时间内完成获取随机元素操作。为了满足插入、删除和获取随机元素操作的时间复杂度都是 O(1),需要将变长数组和哈希表结合,变长数组中存储元素,哈希表中存储每个元素在变长数组中的下标。

插入操作时,首先判断 val 是否在哈希表中,如果已经存在则返回 false,如果不存在则插入 val,操作如下:

  1. 在变长数组的末尾添加 val;

  2. 在添加 val 之前的变长数组长度为 val 所在下标 index,将 val 和下标 index 存入哈希表;

  3. 返回 true。

删除操作时,首先判断 val 是否在哈希表中,如果不存在则返回 false,如果存在则删除 val,操作如下:

  1. 从哈希表中获得 val 的下标 index;

  2. 将变长数组的最后一个元素 last 移动到下标 index 处,在哈希表中将 last 的下标更新为 index;

  3. 在变长数组中删除最后一个元素,在哈希表中删除 val;

  4. 返回 true。

删除操作的重点在于将变长数组的最后一个元素移动到待删除元素的下标处,然后删除变长数组的最后一个元素。该操作的时间复杂度是 O(1),且可以保证在删除操作之后变长数组中的所有元素的下标都连续,方便插入操作和获取随机元素操作。

获取随机元素操作时,由于变长数组中的所有元素的下标都连续,因此随机选取一个下标,返回变长数组中该下标处的元素。

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//C++
class RandomizedSet {
public:
RandomizedSet() {
srand((unsigned)time(NULL));
}

bool insert(int val) {
if (indices.count(val)) {
return false;
}
int index = nums.size();
nums.emplace_back(val);
indices[val] = index;
return true;
}

bool remove(int val) {
if (!indices.count(val)) {
return false;
}
int index = indices[val];
int last = nums.back();
nums[index] = last;
indices[last] = index;
nums.pop_back();
indices.erase(val);
return true;
}

int getRandom() {
int randomIndex = rand()%nums.size();
return nums[randomIndex];
}
private:
vector<int> nums;
unordered_map<int, int> indices;
};
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//Java
class RandomizedSet {
List<Integer> nums;
Map<Integer, Integer> indices;
Random random;

public RandomizedSet() {
nums = new ArrayList<Integer>();
indices = new HashMap<Integer, Integer>();
random = new Random();
}

public boolean insert(int val) {
if (indices.containsKey(val)) {
return false;
}
int index = nums.size();
nums.add(val);
indices.put(val, index);
return true;
}

public boolean remove(int val) {
if (!indices.containsKey(val)) {
return false;
}
int index = indices.get(val);
int last = nums.get(nums.size() - 1);
nums.set(index, last);
indices.put(last, index);
nums.remove(nums.size() - 1);
indices.remove(val);
return true;
}

public int getRandom() {
int randomIndex = random.nextInt(nums.size());
return nums.get(randomIndex);
}
}

复杂度分析

  • 时间复杂度:初始化和各项操作的时间复杂度都是 O(1)。

  • 空间复杂度:O(n),其中 n 是集合中的元素个数。存储元素的数组和哈希表需要 O(n) 的空间。

H指数

1.题目内容

给你一个整数数组 citations ,其中 citations[i] 表示研究者的第 i 篇论文被引用的次数。计算并返回该研究者的 h 指数

根据维基百科上 h 指数的定义:h 代表“高引用次数” ,一名科研人员的 h 指数 是指他(她)至少发表了 h 篇论文,并且 至少h 篇论文被引用次数大于等于 h 。如果 h 有多种可能的值,**h 指数** 是其中最大的那个。

示例 1:

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输入:citations = [3,0,6,1,5]
输出:3
解释:给定数组表示研究者总共有 5 篇论文,每篇论文相应的被引用了 3, 0, 6, 1, 5 次。
由于研究者有 3 篇论文每篇 至少 被引用了 3 次,其余两篇论文每篇被引用 不多于 3 次,所以她的 h 指数是 3。

示例 2:

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2
输入:citations = [1,3,1]
输出:1

提示:

  • n == citations.length
  • 1 <= n <= 5000
  • 0 <= citations[i] <= 1000

2.解法

(1)排序

思路及算法

首先我们可以将初始的 H 指数 h 设为 0,然后将引用次数排序,并且对排序后的数组从大到小遍历。

根据 H 指数的定义,如果当前 H 指数为 h 并且在遍历过程中找到当前值 citations[i]>h,则说明我们找到了一篇被引用了至少 h+1 次的论文,所以将现有的 h 值加 1。继续遍历直到 h 无法继续增大。最后返回 h 作为最终答案。

代码

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//C++
class Solution {
public:
int hIndex(vector<int>& citations) {
sort(citations.begin(), citations.end());
int h = 0, i = citations.size() - 1;
while (i >= 0 && citations[i] > h) {
h++;
i--;
}
return h;
}
};
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//Java
class Solution {
public int hIndex(int[] citations) {
Arrays.sort(citations);
int h = 0, i = citations.length - 1;
while (i >= 0 && citations[i] > h) {
h++;
i--;
}
return h;
}
}

复杂度分析

  • 时间复杂度:O(nlog⁡n),其中 n 为数组 citations 的长度。即为排序的时间复杂度。

  • 空间复杂度:O(log⁡n),其中 n 为数组 citations 的长度。即为排序的空间复杂度。

(2)计数排序

思路及算法

根据上述解法我们发现,最终的时间复杂度与排序算法的时间复杂度有关,所以我们可以使用计数排序算法,新建并维护一个数组 counter 用来记录当前引用次数的论文有几篇。

根据定义,我们可以发现 H 指数不可能大于总的论文发表数,所以对于引用次数超过论文发表数的情况,我们可以将其按照总的论文发表数来计算即可。这样我们可以限制参与排序的数的大小为 [0,n](其中 n 为总的论文发表数),使得计数排序的时间复杂度降低到 O(n)。

最后我们可以从后向前遍历数组 counter,对于每个 0≤i≤n,在数组 counter 中得到大于或等于当前引用次数 iii 的总论文数。当我们找到一个 H 指数时跳出循环,并返回结果。

代码

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//C++
class Solution {
public:
int hIndex(vector<int>& citations) {
int n = citations.size(), tot = 0;
vector<int> counter(n + 1);
for (int i = 0; i < n; i++) {
if (citations[i] >= n) {
counter[n]++;
} else {
counter[citations[i]]++;
}
}
for (int i = n; i >= 0; i--) {
tot += counter[i];
if (tot >= i) {
return i;
}
}
return 0;
}
};
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//Java
public class Solution {
public int hIndex(int[] citations) {
int n = citations.length, tot = 0;
int[] counter = new int[n + 1];
for (int i = 0; i < n; i++) {
if (citations[i] >= n) {
counter[n]++;
} else {
counter[citations[i]]++;
}
}
for (int i = n; i >= 0; i--) {
tot += counter[i];
if (tot >= i) {
return i;
}
}
return 0;
}
}

复杂度分析

  • 时间复杂度:O(n),其中 n 为数组 citations 的长度。需要遍历数组 citations 一次,以及遍历长度为 n+1 的数组 counter 一次。

  • 空间复杂度:O(n),其中 n 为数组 citations 的长度。需要创建长度为 n+1 的数组 counter。

(3)二分搜索

思路及算法

我们需要找到一个值 h,它是满足「有 h 篇论文的引用次数至少为 h」的最大值。小于等于h的所有值 x 都满足这个性质,而大于 h 的值都不满足这个性质。同时因为我们可以用较短时间(扫描一遍数组的时间复杂度为 O(n),其中 n 为数组 citations 的长度)来判断 x 是否满足这个性质,所以这个问题可以用二分搜索来解决。

设查找范围的初始左边界 left 为 0,初始右边界 right 为 n。每次在查找范围内取中点 mid,同时扫描整个数组,判断是否至少有 mid 个数大于 mid。如果有,说明要寻找的 h 在搜索区间的右边,反之则在左边。

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//C++
class Solution {
public:
int hIndex(vector<int>& citations) {
int left=0,right=citations.size();
int mid=0,cnt=0;
while(left<right){
// +1 防止死循环
mid=(left+right+1)>>1;
cnt=0;
for(int i=0;i<citations.size();i++){
if(citations[i]>=mid){
cnt++;
}
}
if(cnt>=mid){
// 要找的答案在 [mid,right] 区间内
left=mid;
}else{
// 要找的答案在 [0,mid) 区间内
right=mid-1;
}
}
return left;
}
};
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//Java
class Solution {
public int hIndex(int[] citations) {
int left=0,right=citations.length;
int mid=0,cnt=0;
while(left<right){
// +1 防止死循环
mid=(left+right+1)>>1;
cnt=0;
for(int i=0;i<citations.length;i++){
if(citations[i]>=mid){
cnt++;
}
}
if(cnt>=mid){
// 要找的答案在 [mid,right] 区间内
left=mid;
}else{
// 要找的答案在 [0,mid) 区间内
right=mid-1;
}
}
return left;
}
}

复杂度分析

  • 时间复杂度:O(nlogn),其中 n 为数组 citations 的长度。需要进行 logn 次二分搜索,每次二分搜索需要遍历数组 citations 一次。
  • 空间复杂度:O(1),只需要常数个变量来进行二分搜索。

跳跃游戏II

1.题目内容

给定一个长度为 n0 索引整数数组 nums。初始位置为 nums[0]

每个元素 nums[i] 表示从索引 i 向前跳转的最大长度。换句话说,如果你在 nums[i] 处,你可以跳转到任意 nums[i + j] 处:

  • 0 <= j <= nums[i]
  • i + j < n

返回到达 nums[n - 1] 的最小跳跃次数。生成的测试用例可以到达 nums[n - 1]

示例 1:

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输入: nums = [2,3,1,1,4]
输出: 2
解释: 跳到最后一个位置的最小跳跃数是 2。
从下标为 0 跳到下标为 1 的位置,跳 1 步,然后跳 3 步到达数组的最后一个位置。

示例 2:

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输入: nums = [2,3,0,1,4]
输出: 2

提示:

  • 1 <= nums.length <= 104
  • 0 <= nums[i] <= 1000
  • 题目保证可以到达 nums[n-1]

2.解法

(1)反向查找出发位置

思路及算法

我们的目标是到达数组的最后一个位置,因此我们可以考虑最后一步跳跃前所在的位置,该位置通过跳跃能够到达最后一个位置。

如果有多个位置通过跳跃都能够到达最后一个位置,那么我们应该如何进行选择呢?直观上来看,我们可以「贪心」地选择距离最后一个位置最远的那个位置,也就是对应下标最小的那个位置。因此,我们可以从左到右遍历数组,选择第一个满足要求的位置。

找到最后一步跳跃前所在的位置之后,我们继续贪心地寻找倒数第二步跳跃前所在的位置,以此类推,直到找到数组的开始位置。

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//Java
class Solution {
public int jump(int[] nums) {
int position = nums.length - 1;
int steps = 0;
while (position > 0) {
for (int i = 0; i < position; i++) {
if (i + nums[i] >= position) {
position = i;
steps++;
break;
}
}
}
return steps;
}
}

复杂度分析

  • 时间复杂度:O(n^2^),其中 n 是数组长度。有两层嵌套循环,在最坏的情况下,例如数组中的所有元素都是 1,position 需要遍历数组中的每个位置,对于 position 的每个值都有一次循环。

  • 空间复杂度:O(1)。

(2)正向查找可到达的最大位置

思路及算法

如果我们「贪心」地进行正向查找,每次找到可到达的最远位置,就可以在线性时间内得到最少的跳跃次数。

例如,对于数组 [2,3,1,2,4,2,3],初始位置是下标 0,从下标 0 出发,最远可到达下标 2。下标 0 可到达的位置中,下标 1 的值是 3,从下标 1 出发可以达到更远的位置,因此第一步到达下标 1。

从下标 1 出发,最远可到达下标 4。下标 1 可到达的位置中,下标 4 的值是 4 ,从下标 4 出发可以达到更远的位置,因此第二步到达下标 4。

fig1

在具体的实现中,我们维护当前能够到达的最大下标位置,记为边界。我们从左到右遍历数组,到达边界时,更新边界并将跳跃次数增加 1。

在遍历数组时,我们不访问最后一个元素,这是因为在访问最后一个元素之前,我们的边界一定大于等于最后一个位置,否则就无法跳到最后一个位置了。如果访问最后一个元素,在边界正好为最后一个位置的情况下,我们会增加一次「不必要的跳跃次数」,因此我们不必访问最后一个元素。

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//C++
class Solution {
public:
int jump(vector<int>& nums) {
int maxPos = 0, n = nums.size(), end = 0, step = 0;
for (int i = 0; i < n - 1; ++i) {
if (maxPos >= i) {
maxPos = max(maxPos, i + nums[i]);
if (i == end) {
end = maxPos;
++step;
}
}
}
return step;
}
};
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//Java
class Solution {
public int jump(int[] nums) {
int length = nums.length;
int end = 0;
int maxPosition = 0;
int steps = 0;
for (int i = 0; i < length - 1; i++) {
maxPosition = Math.max(maxPosition, i + nums[i]);
if (i == end) {
end = maxPosition;
steps++;
}
}
return steps;
}
}

复杂度分析

  • 时间复杂度:O(n),其中 n 是数组长度。
  • 空间复杂度:O(1)。

跳跃游戏I

1.题目内容

给你一个非负整数数组 nums ,你最初位于数组的 第一个下标 。数组中的每个元素代表你在该位置可以跳跃的最大长度。

判断你是否能够到达最后一个下标,如果可以,返回 true ;否则,返回 false

示例 1:

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输入:nums = [2,3,1,1,4]
输出:true
解释:可以先跳 1 步,从下标 0 到达下标 1, 然后再从下标 1 跳 3 步到达最后一个下标。

示例 2:

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输入:nums = [3,2,1,0,4]
输出:false
解释:无论怎样,总会到达下标为 3 的位置。但该下标的最大跳跃长度是 0 , 所以永远不可能到达最后一个下标。

提示:

  • 1 <= nums.length <= 104
  • 0 <= nums[i] <= 105

2.解法

贪心法

思路及算法

设想一下,对于数组中的任意一个位置 y,我们如何判断它是否可以到达?根据题目的描述,只要存在一个位置 x,它本身可以到达,并且它跳跃的最大长度为 x+nums[x],这个值大于等于 y,即 x+nums[x]≥y,那么位置 y 也可以到达。

换句话说,对于每一个可以到达的位置 x,它使得 x+1,x+2,⋯ ,x+nums[x] 这些连续的位置都可以到达。

这样以来,我们依次遍历数组中的每一个位置,并实时维护 最远可以到达的位置。对于当前遍历到的位置 x,如果它在 最远可以到达的位置 的范围内,那么我们就可以从起点通过若干次跳跃到达该位置,因此我们可以用 x+nums[x] 更新 最远可以到达的位置。

在遍历的过程中,如果 最远可以到达的位置 大于等于数组中的最后一个位置,那就说明最后一个位置可达,我们就可以直接返回 True 作为答案。反之,如果在遍历结束后,最后一个位置仍然不可达,我们就返回 False 作为答案。

以题目中的示例一

[2, 3, 1, 1, 4]
为例:

我们一开始在位置 0,可以跳跃的最大长度为 2,因此最远可以到达的位置被更新为 2;

我们遍历到位置 1,由于 1≤2,因此位置 1 可达。我们用 1 加上它可以跳跃的最大长度 3,将最远可以到达的位置更新为 4。由于 4 大于等于最后一个位置 4,因此我们直接返回 True

我们再来看看题目中的示例二

[3, 2, 1, 0, 4]
我们一开始在位置 0,可以跳跃的最大长度为 3,因此最远可以到达的位置被更新为 3;

我们遍历到位置 1,由于 1≤3,因此位置 1 可达,加上它可以跳跃的最大长度 2 得到 3,没有超过最远可以到达的位置;

位置 2、位置 3 同理,最远可以到达的位置不会被更新;

我们遍历到位置 4,由于 4>3,因此位置 4 不可达,我们也就不考虑它可以跳跃的最大长度了。

在遍历完成之后,位置 4 仍然不可达,因此我们返回 False

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//C++
class Solution {
public:
bool canJump(vector<int>& nums) {
int n = nums.size();
int rightmost = 0;
for (int i = 0; i < n; ++i) {
if (i <= rightmost) {
rightmost = max(rightmost, i + nums[i]);
if (rightmost >= n - 1) {
return true;
}
}
}
return false;
}
};
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//Java
public class Solution {
public boolean canJump(int[] nums) {
int n = nums.length;
int rightmost = 0;
for (int i = 0; i < n; ++i) {
if (i <= rightmost) {
rightmost = Math.max(rightmost, i + nums[i]);
if (rightmost >= n - 1) {
return true;
}
}
}
return false;
}
}

复杂度分析

  • 时间复杂度:O(n),其中 n 为数组的大小。只需要访问 nums 数组一遍,共 n 个位置。

  • 空间复杂度:O(1),不需要额外的空间开销。

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