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借这个问题学习一下差分数组,O(n) 算法

作者 liuyubobobo
2020年11月29日 12:35

假设 res[x] 表示的是,nums[i] + nums[n - 1 - i]x 的时候,需要多少次操作。

我们只需要计算出所有的 x 对应的 res[x], 取最小值就好了。

根据题意,nums[i] + nums[n - 1 - i] 最小是 2,即将两个数都修改为 1;最大是 2 * limit,即将两个数都修改成 limit

所以,res[x]x 的取值范围是 [2, 2 * limit]。我们用一个 res[2 * limit + 1] 的数组就好。


关键是,如何求出每一个 res[x] 位置的值,即修改后互补的数字和为 x,需要多少操作?

为了叙述方便,假设 nums[i]Anums[n - 1 - i]B

显然有:

  • 如果修改后两个数字的和是 A + B,我们使用的操作数是 0 (没有修改));

  • 否则的话,如果修改后两个数字和在 [1 + min(A, B), limit + max(A, B)] 的范围,我们使用的操作数是 1 (只需要修改 A 或者 B 就好);

  • 否则的话,如果修改后两个数字和在 [2, 2 * limit] 的范围,我们使用的操作数是 ``2`(两个数字都要修改));


所以,我们的算法是遍历每一组 nums[i]nums[n - 1 - i],然后:

  • 先将 [2, 2 * limit] 的范围需要的操作数 + 2

  • 之后,将 [1 + min(A, B), limit + max(A, B)] 的范围需要的操作数 - 1(即 2 - 1 = 1,操作 1 次);

  • 之后,将 [A + B] 位置的值再 -1(即 1 - 1 = 0,操作 0 次)。

可以看出,整个过程都是在做区间更新。最后,我们查询每一个位置的值,取最小值就好。


对于这个需求,我们当然可以使用线段树或者树状数组解决,但代码量稍大,且复杂度也是 O(nlogn) 的。

但是仔细观察,我们发现,我们只需要作区间更新,和单点查询。

对于这个需求,有一种非常常规的”数据结构“,叫差分数组,完全满足需求,并且编程极其简单,整体可以在 O(n) 的时间解决。

打上引号,是因为差分数组就是一个数组而已。


简单来说,差分数组 diff[i],存储的是 res[i] - res[i - 1];而差分数组 diff[0...i] 的和,就是 res[i] 的值。

大家可以用一个小数据试验一下,很好理解。


如果我们想给 [l, r] 的区间加上一个数字 a, 只需要 diff[l] += a,diff[r + 1] -= a

这样做,diff[0...i] 的和,就是更新后 res[i] 的值。

依然是,大家可以用一个小数据试验一下,其实很好理解。


有了差分数组这个武器,这个问题就很简单了。

我的参考代码如下(C++):

class Solution {
public:
    int minMoves(vector<int>& nums, int limit) {
        
        // 差分数组, diff[0...x] 的和表示最终互补的数字和为 x,需要的操作数
        // 因为差分数组的计算需要更新 r + 1,所以数组的总大小在 limit * 2 + 1 的基础上再 + 1
        vector<int> diff(limit * 2 + 2, 0);

        int n = nums.size();
        for(int i = 0; i < n / 2; i ++){
            int A = nums[i], B = nums[n - 1 - i];

            // [2, 2 * limit] 范围 + 2
            int l = 2, r = 2 * limit;
            diff[l] += 2, diff[r + 1] -= 2;

            // [1 + min(A, B), limit + max(A, B)] 范围 -1
            l = 1 + min(A, B), r = limit + max(A, B);
            diff[l] += -1, diff[r + 1] -= -1;

            // [A + B] 再 -1    
            l = A + B, r = A + B;
            diff[l] += -1, diff[r + 1] -= -1;
        }

        // 依次求和,得到 最终互补的数字和 i 的时候,需要的操作数 sum
        // 取最小值
        int res = n, sum = 0;
        for(int i = 2; i <= 2 * limit; i ++){
            sum += diff[i];
            if(sum < res) res = sum;
        }
        return res;
    }
};

整体时间复杂度是 O(n) 的;空间复杂度也是 O(n) 的。


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