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墨滴

lucifer

2021/04/06  阅读:40  主题:全栈蓝

为何我刷了很多,遇到新的题还是唯唯诺诺,无法重拳出击?

为何我刷了很多题,遇到新的题还是唯唯诺诺,无法重拳出击?为何一看就会一些就废?这其中又隐藏着怎样的秘密?究竟是道德的沦丧还是人性的扭曲?欢迎收看本期的 走出科学 特别栏目。

今天给大家带来了三位重量级选手,一位体重 98 公斤,一位体重 100 公斤,还有一位体重 98 斤,今天 lucifer 就带大家用同样的招式 KO 他们三位。

第一位选手 - 84. 柱状图中最大的矩形

题目地址

https://leetcode-cn.com/problems/largest-rectangle-in-histogram/

题目描述

给定 n 个非负整数,用来表示柱状图中各个柱子的高度。每个柱子彼此相邻,且宽度为 1 。

求在该柱状图中,能够勾勒出来的矩形的最大面积。

以上是柱状图的示例,其中每个柱子的宽度为 1,给定的高度为  [2,1,5,6,2,3]。 

图中阴影部分为所能勾勒出的最大矩形面积,其面积为  10  个单位。

示例:

输入:[2,1,5,6,2,3]
输出:10

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前置知识

  • 单调栈

暴力枚举 - 左右端点法(TLE)

思路

我们暴力尝试所有可能的矩形。由于矩阵是二维图形, 我我们可以使用左右两个端点来唯一确认一个矩阵。因此我们使用双层循环枚举所有的可能性即可。 而矩形的面积等于(右端点坐标 - 左端点坐标 + 1) * 最小的高度,最小的高度我们可以在遍历的时候顺便求出。

代码

class Solution:
    def largestRectangleArea(self, heights: List[int]) -> int:
        n, ans = len(heights), 0
        if n != 0:
            ans = heights[0]
        for i in range(n):
            height = heights[i]
            for j in range(i, n):
                height = min(height, heights[j])
                ans = max(ans, (j - i + 1) * height)
        return ans

复杂度分析

  • 时间复杂度:
  • 空间复杂度:

暴力枚举 - 中心扩展法(TLE)

思路

我们仍然暴力尝试所有可能的矩形。只不过我们这一次从中心向两边进行扩展。对于每一个 i,我们计算出其左边第一个高度小于它的索引 p,同样地,计算出右边第一个高度小于它的索引 q。那么以 i 为最低点能够构成的面积就是(q - p - 1) * heights[i]。 这种算法毫无疑问也是正确的。 我们证明一下,假设 f(i) 表示求以 i 为最低点的情况下,所能形成的最大矩阵面积。那么原问题转化为max(f(0), f(1), f(2), ..., f(n - 1))

具体算法如下:

  • 我们使用 l 和 r 数组。l[i] 表示 左边第一个高度小于它的索引,r[i] 表示 右边第一个高度小于它的索引。
  • 我们从前往后求出 l,再从后往前计算出 r。
  • 再次遍历求出所有的可能面积,并取出最大的。

代码

class Solution:
    def largestRectangleArea(self, heights: List[int]) -> int:
        n = len(heights)
        l, r, ans = [-1] * n, [n] * n, 0
        for i in range(1, n):
            j = i - 1
            while j >= 0 and heights[j] >= heights[i]:
                j -= 1
            l[i] = j
        for i in range(n - 2-1-1):
            j = i + 1
            while j < n and heights[j] >= heights[i]:
                j += 1
            r[i] = j
        for i in range(n):
            ans = max(ans, heights[i] * (r[i] - l[i] - 1))
        return ans

复杂度分析

  • 时间复杂度:
  • 空间复杂度:

优化中心扩展法(Accepted)

思路

实际上我们内层循环没必要一步一步移动,我们可以直接将j -= 1 改成 j = l[j], j += 1 改成 j = r[j]

代码

class Solution:
    def largestRectangleArea(self, heights: List[int]) -> int:
        n = len(heights)
        l, r, ans = [-1] * n, [n] * n, 0

        for i in range(1, n):
            j = i - 1
            while j >= 0 and heights[j] >= heights[i]:
                j = l[j]
            l[i] = j
        for i in range(n - 2-1-1):
            j = i + 1
            while j < n and heights[j] >= heights[i]:
                j = r[j]
            r[i] = j
        for i in range(n):
            ans = max(ans, heights[i] * (r[i] - l[i] - 1))
        return ans

复杂度分析

  • 时间复杂度:
  • 空间复杂度:

单调栈(Accepted)

思路

实际上,读完第二种方法的时候,你应该注意到了。我们的核心是求左边第一个比 i 小的和右边第一个比 i 小的。 如果你熟悉单调栈的话,那么应该会想到这是非常适合使用单调栈来处理的场景。

从左到右遍历柱子,对于每一个柱子,我们想找到第一个高度小于它的柱子,那么我们就可以使用一个单调递增栈来实现。 如果柱子大于栈顶的柱子,那么说明不是我们要找的柱子,我们把它塞进去继续遍历,如果比栈顶小,那么我们就找到了第一个小于的柱子。 对于栈顶元素,其右边第一个小于它的就是当前遍历到的柱子,左边第一个小于它的就是栈中下一个要被弹出的元素,因此以当前栈顶为最小柱子的面积为当前栈顶的柱子高度 * (当前遍历到的柱子索引 - 1 - (栈中下一个要被弹出的元素索引 + 1) + 1),化简一下就是 当前栈顶的柱子高度 * (当前遍历到的柱子索引 - 栈中下一个要被弹出的元素索引 - 1)

这种方法只需要遍历一次,并用一个栈。由于每一个元素最多进栈出栈一次,因此时间和空间复杂度都是

为了统一算法逻辑,减少边界处理,我在 heights 首尾添加了两个哨兵元素,这样我们可以保证所有的柱子都会出栈

代码

代码支持: Python,CPP

Python Code:

class Solution:
    def largestRectangleArea(self, heights: List[int]) -> int:
        n, heights, st, ans = len(heights), [0] + heights + [0], [], 0
        for i in range(n + 2):
            while st and heights[st[-1]] > heights[i]:
                ans = max(ans, heights[st.pop(-1)] * (i - st[-1] - 1))
            st.append(i)
        return ans

CPP Code:

class Solution {
public:
    int largestRectangleArea(vector<int>& A) {
        A.push_back(0);
        int N = A.size(), ans = 0;
        stack<int> s;
        for (int i = 0; i < N; ++i) {
            while (s.size() && A[s.top()] >= A[i]) {
                int h = A[s.top()];
                s.pop();
                int j = s.size() ? s.top() : -1;
                ans = max(ans, h * (i - j - 1));
            }
            s.push(i);
        }
        return ans;
    }
};

复杂度分析

  • 时间复杂度:
  • 空间复杂度:

2020-05-30 更新:

有的观众反应看不懂为啥需要两个哨兵。 其实末尾的哨兵就是为了将栈清空,防止遍历完成栈中还有没参与运算的数据。

而前面的哨兵有什么用呢? 我这里把上面代码进行了拆解:

class Solution:
    def largestRectangleArea(self, heights: List[int]) -> int:
        n, heights, st, ans = len(heights),[0] + heights + [0], [], 0
        for i in range(n + 2):
            while st and heights[st[-1]] > heights[i]:
                a = heights[st[-1]]
                st.pop()
                # 如果没有前面的哨兵,这里的 st[-1] 可能会越界。
                ans = max(ans, a * (i - 1 - st[-1]))
            st.append(i)
        return ans

相关题目

第二位选手 - 85. 最大矩形

题目地址

https://leetcode-cn.com/problems/maximal-rectangle/

题目描述

给定一个仅包含  0 和 1 的二维二进制矩阵,找出只包含 1 的最大矩形,并返回其面积。

示例:

输入:

[
  ["1","0","1","0","0"],
  ["1","0","1","1","1"],
  ["1","1","1","1","1"],
  ["1","0","0","1","0"]
]

输出:6

前置知识

  • 单调栈

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思路

我在 【84. 柱状图中最大的矩形】多种方法(Python3) 使用了多种方法来解决。 然而在这道题,我们仍然可以使用完全一样的思路去完成。本题解是基于那道题的题解来进行的。

拿题目给的例子来说:

[
  ["1","0","1","0","0"],
  ["1","0","1","1","1"],
  ["1","1","1","1","1"],
  ["1","0","0","1","0"]
]

我们逐行扫描得到 84. 柱状图中最大的矩形 中的 heights 数组:

这样我们就可以使用84. 柱状图中最大的矩形 中的解法来进行了,这里我们使用单调栈来解。

下面的代码直接将 84 题的代码封装成 API 调用了。

代码

代码支持:Python

Python Code:

class Solution:
    def largestRectangleArea(self, heights: List[int]) -> int:
        n, heights, st, ans = len(heights), [0] + heights + [0], [], 0
        for i in range(n + 2):
            while st and heights[st[-1]] > heights[i]:
                ans = max(ans, heights[st.pop(-1)] * (i - st[-1] - 1))
            st.append(i)

        return ans
    def maximalRectangle(self, matrix: List[List[str]]) -> int:
        m = len(matrix)
        if m == 0return 0
        n = len(matrix[0])
        heights = [0] * n
        ans = 0
        for i in range(m):
            for j in range(n):
                if matrix[i][j] == "0":
                    heights[j] = 0
                else:
                    heights[j] += 1
            ans = max(ans, self.largestRectangleArea(heights))
        return ans

复杂度分析

  • 时间复杂度:
  • 空间复杂度:

第三位选手 - 221. 最大正方形

题目地址

https://leetcode-cn.com/problems/maximal-square/

题目描述

在一个由 0 和 1 组成的二维矩阵内,找到只包含 1 的最大正方形,并返回其面积。

示例:

输入:

1 0 1 0 0
1 0 1 1 1
1 1 1 1 1
1 0 0 1 0

输出: 4

前置知识

  • 动态规划
  • 递归

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思路

看到题看起来和上面的题目类似,只不过把长方形限定为了正方形嘛。

221.maximal-square
221.maximal-square

符合直觉的做法是暴力求解处所有的正方形,逐一计算面积,然后记录最大的。这种时间复杂度很高。

我们考虑使用动态规划,我们使用 dp[i][j]表示以 matrix[i][j]为右下角的顶点的可以组成的最大正方形的边长。 那么我们只需要计算所有的 i,j 组合,然后求出最大值即可。

我们来看下 dp[i][j] 怎么推导。 首先我们要看 matrix[i][j], 如果 matrix[i][j]等于 0,那么就不用看了,直接等于 0。 如果 matrix[i][j]等于 1,那么我们将 matrix[[i][j]分别往上和往左进行延伸,直到碰到一个 0 为止。

如图 dp[3][3] 的计算。 matrix[3][3]等于 1,我们分别往上和往左进行延伸,直到碰到一个 0 为止,上面长度为 1,左边为 3。 dp[2][2]等于 1(之前已经计算好了),那么其实这里的瓶颈在于三者的最小值, 即Min(1, 1, 3), 也就是1。 那么 dp[3][3] 就等于 Min(1, 1, 3) + 1

221.maximal-square
221.maximal-square

dp[i - 1][j - 1]我们直接拿到,关键是往上和往左进行延伸, 最直观的做法是我们内层加一个循环去做就好了。 但是我们仔细观察一下,其实我们根本不需要这样算。 我们可以直接用 dp[i - 1][j]和 dp[i][j -1]。 具体就是Min(dp[i - 1][j - 1], dp[i][j - 1], dp[i - 1][j]) + 1

221.maximal-square
221.maximal-square

事实上,这道题还有空间复杂度 O(N)的解法,其中 N 指的是列数。 大家可以去这个leetcode 讨论看一下。

关键点解析

  • DP
  • 递归公式可以利用 dp[i - 1][j]和 dp[i][j -1]的计算结果,而不用重新计算
  • 空间复杂度可以降低到 O(n), n 为列数

代码

代码支持:Python,JavaScript:

Python Code:

class Solution:
    def maximalSquare(self, matrix: List[List[str]]) -> int:
        res = 0
        m = len(matrix)
        if m == 0:
            return 0
        n = len(matrix[0])
        dp = [[0] * (n + 1for _ in range(m + 1)]

        for i in range(1, m + 1):
            for j in range(1, n + 1):
                dp[i][j] = min(dp[i - 1][j], dp[i][j - 1], dp[i - 1][j - 1]) + 1 if matrix[i - 1][j - 1] == "1" else 0
                res = max(res, dp[i][j])
        return res ** 2

JavaScript Code:

/*
 * @lc app=leetcode id=221 lang=javascript
 *
 * [221] Maximal Square
 */

/**
 * @param {character[][]} matrix
 * @return {number}
 */

var maximalSquare = function (matrix{
  if (matrix.length === 0return 0;
  const dp = [];
  const rows = matrix.length;
  const cols = matrix[0].length;
  let max = Number.MIN_VALUE;

  for (let i = 0; i < rows + 1; i++) {
    if (i === 0) {
      dp[i] = Array(cols + 1).fill(0);
    } else {
      dp[i] = [0];
    }
  }

  for (let i = 1; i < rows + 1; i++) {
    for (let j = 1; j < cols + 1; j++) {
      if (matrix[i - 1][j - 1] === "1") {
        dp[i][j] = Math.min(dp[i - 1][j - 1], dp[i - 1][j], dp[i][j - 1]) + 1;
        max = Math.max(max, dp[i][j]);
      } else {
        dp[i][j] = 0;
      }
    }
  }

  return max * max;
};

复杂度分析

  • 时间复杂度: ,其中 M 为行数,N 为列数。
  • 空间复杂度: ,其中 M 为行数,N 为列数。

如果我还想用上面的方法可以么?

当然可以! lucifer 我就专门给大家改写了一下,直接将上面的代码复制过来,改了一行就 AC 了。

class Solution:
    def largestRectangleArea(self, heights: List[int]) -> int:
        n, heights, st, ans = len(heights), [0] + heights + [0], [], 0
        for i in range(n + 2):
            while st and heights[st[-1]] > heights[i]:
                # 就只改了下面这一行
                ans = max(ans, min(heights[st.pop()], (i - st[-1] - 1)) ** 2)
            st.append(i)

        return ans

    def maximalSquare(self, matrix: List[List[str]]) -> int:
        m = len(matrix)
        if m == 0:
            return 0
        n = len(matrix[0])
        heights = [0] * n
        ans = 0
        for i in range(m):
            for j in range(n):
                if matrix[i][j] == "0":
                    heights[j] = 0
                else:
                    heights[j] += 1
            ans = max(ans, self.largestRectangleArea(heights))
        return ans

总结

上面三道题我都用的是 largestRectangleArea 的核心逻辑,基本上调用下稍微改改就完事了。对于 largestRectangleArea 的解法最明显的莫过于平方级别的暴力,可如果你仔细分析就发现我们可以通过指针不回溯达到降低复杂度的效果。而这里的指针不回溯可以是单调栈,也可以是我给的双指针数组方法。不管用的哪种,区别的只是战术,战略思想是一样的。大家做题的时候也要注重战略,训练战术。

你说这招是不是很好使?学习算法不可贪多,不然嚼不烂。当你细细咀嚼后会发现,其实算法的思想和套路还真不多,至少应付大部分的面试和 OJ 题目不成问题。

lucifer

2021/04/06  阅读:40  主题:全栈蓝

作者介绍

lucifer