• 怒刷LeetCode的第21天(Java版)


    目录

    第一题

    题目来源

    题目内容

    解决方法

    方法一:哈希表

    方法二:计数器数组

    第二题

    题目来源

    题目内容

    解决方法

    方法一:分治法

    方法二:快速幂 + 迭代

    方法三:快速幂 + 递归

    第三题

    题目来源

    题目内容

    解决方法

    方法一:回溯算法

    方法二:基于集合的回溯

    方法三:基于位运算的回溯

    方法四:DFS(深度优先搜索)


    第一题

    题目来源

    49. 字母异位词分组 - 力扣(LeetCode)

    题目内容

    解决方法

    方法一:哈希表

    思路: 首先,我们可以使用哈希表来存储字母异位词分组的结果。遍历字符串数组中的每个字符串,对每个字符串进行排序,得到其排序后的字符串作为哈希表的键。然后将原始字符串添加到对应键的列表中,最后返回哈希表的值即可。

    1. import java.util.*;
    2. class Solution {
    3. public List> groupAnagrams(String[] strs) {
    4. // 创建一个哈希表,key 为排序后的字符串,value 为相同排序后字符串的原始字符串列表
    5. Map> map = new HashMap<>();
    6. // 遍历字符串数组
    7. for (String str : strs) {
    8. // 将字符串转为字符数组并排序
    9. char[] arr = str.toCharArray();
    10. Arrays.sort(arr);
    11. String sortedStr = String.valueOf(arr);
    12. // 如果哈希表中不存在该键,则新建一个键值对
    13. if (!map.containsKey(sortedStr)) {
    14. map.put(sortedStr, new ArrayList<>());
    15. }
    16. // 将原始字符串添加到对应键的列表中
    17. map.get(sortedStr).add(str);
    18. }
    19. // 返回哈希表的值,即分组后的结果列表
    20. return new ArrayList<>(map.values());
    21. }
    22. }

    复杂度分析:

    时间复杂度分析:

    • 对于每个字符串,需要将其排序,排序的时间复杂度为 O(klogk),其中 k 为字符串的长度。
    • 总共有 n 个字符串,因此总时间复杂度为 O(nklogk)。

    空间复杂度分析:

    • 使用了一个哈希表来存储分组的结果,最多包含 n 个键值对。
    • 每个键值对中的值是一个列表,列表的最大长度为 n。
    • 因此,空间复杂度为 O(n)。

    综上所述,该解法的时间复杂度为 O(nklogk),空间复杂度为 O(n)。

    LeetCode运行结果:

    方法二:计数器数组

    除了使用哈希表的方法,我们还可以通过使用计数器数组来实现字母异位词的分组。

    具体思路如下:

    1. 创建一个长度为26的整型数组count,用于记录每个字母出现的次数。
    2. 遍历字符串数组中的每个字符串:
      • 将count数组每个位置的值都置为0,用于统计当前字符串的字符出现次数。
      • 遍历当前字符串,将每个字符出现的次数加到count数组对应的位置上。
      • 将count数组转换为一个唯一的字符串作为哈希表的键。
      • 将当前字符串添加到对应键的列表中。
    3. 返回哈希表的值,即分组后的结果列表。
    1. import java.util.*;
    2. class Solution {
    3. public List> groupAnagrams(String[] strs) {
    4. // 创建一个哈希表,key 为唯一的计数器字符串,value 为相同计数器字符串的原始字符串列表
    5. Map> map = new HashMap<>();
    6. // 遍历字符串数组
    7. for (String str : strs) {
    8. // 创建一个长度为26的计数器数组
    9. int[] count = new int[26];
    10. // 统计当前字符串中每个字符出现的次数
    11. for (char c : str.toCharArray()) {
    12. count[c - 'a']++;
    13. }
    14. // 将计数器数组转换为一个唯一的字符串作为哈希表的键
    15. StringBuilder sb = new StringBuilder();
    16. for (int i = 0; i < 26; i++) {
    17. sb.append('#');
    18. sb.append(count[i]);
    19. }
    20. String key = sb.toString();
    21. // 如果哈希表中不存在该键,则新建一个键值对
    22. if (!map.containsKey(key)) {
    23. map.put(key, new ArrayList<>());
    24. }
    25. // 将原始字符串添加到对应键的列表中
    26. map.get(key).add(str);
    27. }
    28. // 返回哈希表的值,即分组后的结果列表
    29. return new ArrayList<>(map.values());
    30. }
    31. }

    复杂度分析:

    时间复杂度分析:

    • 对于每个字符串,需要遍历一次,并统计字符出现的次数,时间复杂度为 O(k)。
    • 总共有 n 个字符串,因此总时间复杂度为 O(nk)。

    空间复杂度分析:

    • 使用了一个哈希表来存储分组的结果,最多包含 n 个键值对。
    • 每个键值对中的值是一个列表,列表的最大长度为 n。
    • 因此,空间复杂度为 O(n)。

    综上所述,该解法的时间复杂度为 O(nk),空间复杂度为 O(n)。

    LeetCode运行结果:

    第二题

    题目来源

    50. Pow(x, n) - 力扣(LeetCode)

    题目内容

    解决方法

    方法一:分治法

    根据题目要求,可以使用分治法来实现 pow(x, n) 函数。具体做法如下:

    1. 若 n < 0,则转换为求解 pow(1/x, -n)。
    2. 定义递归函数 helper(x, n),表示计算 x 的整数 n 次幂。
    3. 当 n 为 0 时,返回 1。
    4. 当 n 为偶数时,将问题规模缩小一半,即计算 helper(x, n/2) * helper(x, n/2)。
    5. 当 n 为奇数时,将结果乘以 x,即计算 x * helper(x, n/2) * helper(x, n/2)。
    6. 根据 n 的正负性,返回最终结果。
    1. public class Solution {
    2. public double myPow(double x, int n) {
    3. // 若指数 n 为负数,则转换为求解 pow(1/x, -n)
    4. if (n < 0) {
    5. x = 1 / x;
    6. n = -n;
    7. }
    8. return helper(x, n);
    9. }
    10. private double helper(double x, int n) {
    11. // 递归结束条件:n 为 0
    12. if (n == 0) {
    13. return 1.0;
    14. }
    15. // 递归计算一半的结果
    16. double half = helper(x, n / 2);
    17. // 若 n 为偶数
    18. if (n % 2 == 0) {
    19. return half * half;
    20. }
    21. // 若 n 为奇数
    22. else {
    23. return x * half * half;
    24. }
    25. }
    26. }

    复杂度分析:

    时间复杂度分析:

    • 每次递归,问题规模缩小一半,因此递归的层数为 O(logn)。
    • 在每一层递归中,需要进行一次乘法运算。因此,总时间复杂度为 O(logn)。

    空间复杂度分析:

    • 使用了 O(logn) 的递归栈空间。

    LeetCode运行结果:

    方法二:快速幂 + 迭代

    算法思路: 首先,将指数 n 转化为 long 类型的 N,以处理负数指数的情况。 然后,对于任意一个实数 x 和非负整数 N,可以通过二分法迭代计算出 x^N 的值。

    假设已经计算出 x^{N/2},那么有以下两种情况:

    当 N 为偶数时,有:x^N = (x^{N/2})^2 当 N 为奇数时,有:x^N = x * (x^{N/2})^2

    通过上面两种情况,可以将原问题分解成规模更小的子问题,并且每次只需进行一次乘法运算即可。不断重复这个过程,最终可以得到 x^N 的值。

    1. class Solution {
    2. public double myPow(double x, int n) {
    3. // 将指数转化为long类型的N,以处理负数指数的情况
    4. long N = n;
    5. // 如果N为负数,将x变为1/x,指数变为相反数
    6. return N >= 0 ? quickMul(x, N) : 1.0 / quickMul(x, -N);
    7. }
    8. public double quickMul(double x, long N) {
    9. // ans初始化为1,因为x^0=1
    10. double ans = 1.0;
    11. // 贡献的初始值为x
    12. double x_contribute = x;
    13. // 使用二分法迭代计算x^N
    14. while (N > 0) {
    15. // 如果N的二进制最低位为1,那么需要计入贡献
    16. if (N % 2 == 1) {
    17. ans *= x_contribute;
    18. }
    19. // 将贡献不断平方
    20. x_contribute *= x_contribute;
    21. // 右移一位,相当于除以2
    22. N /= 2;
    23. }
    24. return ans;
    25. }
    26. }

    复杂度分析:

    • 时间复杂度:由于每次将指数减半,因此算法的迭代次数为 logn。每次迭代只需要进行一次乘法运算,因此总时间复杂度为 O(logn)。
    • 空间复杂度:算法中只使用了常数个变量,因此空间复杂度为 O(1)。

    LeetCode运行结果:

    方法三:快速幂 + 递归

    算法思路: 假设已经计算出 x^{N/2},那么有以下两种情况:

    当 N 为偶数时,有:x^N = (x^{N/2})^2 当 N 为奇数时,有:x^N = x * (x^{N/2})^2

    通过上面两种情况,可以将原问题分解成规模更小的子问题,并且每次只需进行一次乘法运算即可。不断重复这个过程,最终可以得到 x^N 的值。

    1. class Solution {
    2. public double myPow(double x, int n) {
    3. // 将指数转化为long类型的N,以处理负数指数的情况
    4. long N = n;
    5. // 如果N为负数,将x变为1/x,指数变为相反数
    6. return N >= 0 ? quickMul(x, N) : 1.0 / quickMul(x, -N);
    7. }
    8. public double quickMul(double x, long N) {
    9. // 如果N==0,返回1.0
    10. if (N == 0) {
    11. return 1.0;
    12. }
    13. // 先计算出x的N/2次方
    14. double y = quickMul(x, N / 2);
    15. // 如果N为偶数,y*y即为x的N次方
    16. if (N % 2 == 0) {
    17. return y * y;
    18. }
    19. // 如果N为奇数,y*y*x即为x的N次方
    20. else {
    21. return y * y * x;
    22. }
    23. }
    24. }

    复杂度分析:

    • 时间复杂度:由于每次将指数减半,因此算法的迭代次数为 logn。每次迭代只需要进行一次乘法运算,因此总时间复杂度为 O(logn)。
    • 空间复杂度:由于算法使用了递归来实现快速幂运算,因此最坏情况下递归的深度为 logn,因此空间复杂度为 O(logn)。

    LeetCode运行结果:

    第三题

    题目来源

    51. N 皇后 - 力扣(LeetCode)

    题目内容

    解决方法

    方法一:回溯算法

    N 皇后问题可以使用回溯算法来求解。回溯算法是一种深度优先搜索的算法,通过递归地尝试所有可能的解决方案,并在不满足条件时进行回溯。

    具体思路如下:

    1. 创建一个长度为 n 的数组 queens,用于存储每一行皇后所在的列索引。初始化时,所有元素都为 -1,表示还没有放置皇后。
    2. 使用回溯函数进行递归搜索,函数定义如下:
      • 参数 row 表示当前正在放置皇后的行数。
      • 参数 n 表示棋盘的大小,也表示需要放置的皇后的数量。
      • 在递归的过程中,从左到右依次尝试放置皇后,对于每个位置 (row, col),判断是否可以放置皇后的条件是不在同一列或同一斜线上。如果可以放置,则将 queens[row] 设置为 col,表示在当前行放置皇后的位置为 (row, col)
      • 如果当前行是最后一行(即 row == n - 1),说明找到了一种解法,将该解法存储起来。
      • 如果当前行不是最后一行,则继续递归放置下一行的皇后。
      • 在递归结束后,需要进行回溯操作,即撤销当前行放置的皇后,尝试放置下一个位置。
    3. 创建一个函数 isValid(row, col, n) 来判断当前位置是否可以放置皇后。判断的条件是不在同一列或同一斜线上。具体判断方法如下:
      • 对于每一行,使用数组 queens 存储了已经放置的皇后位置,因此只需要判断列号是否相等或者斜率是否为 ±1±1 即可。
    4. 最后,将所有解法转换为字符串表示,存储到结果列表中,并返回作为结果。
    1. class Solution {
    2. // 存储每一行皇后所在的列索引
    3. int[] queens;
    4. // 存储所有解法
    5. List> solutions;
    6. public List> solveNQueens(int n) {
    7. queens = new int[n];
    8. solutions = new ArrayList<>();
    9. backtrack(0, n);
    10. return solutions;
    11. }
    12. // 回溯函数
    13. private void backtrack(int row, int n) {
    14. if (row == n) { // 找到一种解法
    15. List solution = generateSolution(n);
    16. solutions.add(solution);
    17. } else {
    18. for (int col = 0; col < n; col++) {
    19. if (isValid(row, col, n)) { // 判断当前位置是否可以放置皇后
    20. queens[row] = col;
    21. backtrack(row + 1, n); // 继续下一行的回溯
    22. }
    23. }
    24. }
    25. }
    26. // 判断当前位置是否可以放置皇后
    27. private boolean isValid(int row, int col, int n) {
    28. for (int i = 0; i < row; i++) {
    29. int diff = Math.abs(col - queens[i]);
    30. if (diff == 0 || diff == row - i) { // 判断是否在同一列或同一斜线上
    31. return false;
    32. }
    33. }
    34. return true;
    35. }
    36. // 生成解法的字符串表示
    37. private List generateSolution(int n) {
    38. List solution = new ArrayList<>();
    39. for (int row = 0; row < n; row++) {
    40. StringBuilder sb = new StringBuilder();
    41. for (int col = 0; col < n; col++) {
    42. if (col == queens[row]) {
    43. sb.append("Q");
    44. } else {
    45. sb.append(".");
    46. }
    47. }
    48. solution.add(sb.toString());
    49. }
    50. return solution;
    51. }
    52. }

    复杂度分析:

    • 时间复杂度:在回溯算法中,对于每一行的每一个位置,都需要进行判断。在判断当前位置是否可以放置皇后时,需要遍历已经放置的皇后,时间复杂度为 O(N)。因此,在放置 N 个皇后的过程中,总体的时间复杂度为 O(N^N \cdot N!),其中 N! 表示 N 的阶乘。
    • 空间复杂度:除了存储结果的列表之外,需要额外使用一个数组 queens 来存储每一行皇后所在的列索引,数组的长度为 N。递归调用栈的最大深度为 N。因此,额外的空间复杂度为 O(N)。

    需要注意的是,以上复杂度分析是在没有剪枝优化的情况下。实际上,N 皇后问题可以通过剪枝优化来减少搜索的空间和时间复杂度,例如通过判断不同行上皇后的冲突情况,来排除不必要的搜索路径。通过合理的剪枝策略,可以显著提高算法的效率。

    总结起来,N 皇后问题的时间复杂度为 O(N^N \cdot N!),空间复杂度为 O(N)。

    LeetCode运行结果:

    方法二:基于集合的回溯
    1. import java.util.*;
    2. class Solution {
    3. public List> solveNQueens(int n) {
    4. List> result = new ArrayList<>();
    5. Set cols = new HashSet<>();
    6. Set diagonals1 = new HashSet<>();
    7. Set diagonals2 = new HashSet<>();
    8. backtrack(n, 0, new ArrayList<>(), result, cols, diagonals1, diagonals2);
    9. return result;
    10. }
    11. private void backtrack(int n, int row, List board, List> result,
    12. Set cols, Set diagonals1, Set diagonals2) {
    13. if (row == n) {
    14. result.add(new ArrayList<>(board));
    15. return;
    16. }
    17. for (int col = 0; col < n; col++) {
    18. int diagonal1 = row - col;
    19. int diagonal2 = row + col;
    20. if (cols.contains(col) || diagonals1.contains(diagonal1) || diagonals2.contains(diagonal2)) {
    21. continue;
    22. }
    23. cols.add(col);
    24. diagonals1.add(diagonal1);
    25. diagonals2.add(diagonal2);
    26. char[] charArray = new char[n];
    27. Arrays.fill(charArray, '.');
    28. charArray[col] = 'Q';
    29. String rowString = new String(charArray);
    30. board.add(rowString);
    31. backtrack(n, row + 1, board, result, cols, diagonals1, diagonals2);
    32. board.remove(board.size() - 1);
    33. cols.remove(col);
    34. diagonals1.remove(diagonal1);
    35. diagonals2.remove(diagonal2);
    36. }
    37. }
    38. }

    通过回溯的方式,在每一行中的每个位置尝试放置皇后。使用三个集合 cols、diagonals1 和 diagonals2 分别记录已经放置的皇后所在的列、主对角线和副对角线的信息,用于判断是否是合法的放置位置。当放置的皇后数量达到 N 个时,将当前结果加入最终的结果列表中。

    注意,在每一次放置皇后之前,需要先判断当前位置是否已经被占据,如果是,则跳过该位置。同时,在回溯的过程中,需要及时撤销之前的操作,即从集合和棋盘中移除皇后的相关信息。

    复杂度分析:

    N 皇后问题的时间复杂度很难精确地确定,因为不同的搜索方案具有不同的耗时。但是可以确定的是,N 皇后问题解的数量一定是阶乘级别的,即 O(N!)。

    在回溯算法中,每次递归处理到第 i 行时,都需要考虑所有列 j 是否可用,因此时间复杂度为 O(N^i)。因此,总的时间复杂度可以表示为: O(N!)

    空间复杂度方面,除了存储答案和一些辅助变量外,主要的空间开销是递归调用栈的空间。在最坏情况下,即所有可能的排列方式都需要尝试一遍时,递归栈的深度会达到 N,每层递归需要 O(N) 的空间,因此空间复杂度也是 O(N)。

    需要注意的是,在实际应用中,我们可以通过剪枝等方式来优化回溯算法的效率,从而在适当的情况下减小时间和空间的开销。

    LeetCode运行结果:

    方法三:基于位运算的回溯

    当使用位运算来解决 N 皇后问题时,可以通过一个整数的二进制表示来记录每个皇后的位置,其中每个皇后占据一列,皇后所在的行由二进制中的位置表示。

    1. class Solution {
    2. public List> solveNQueens(int n) {
    3. List> result = new ArrayList<>();
    4. solveNQueensHelper(n, 0, 0, 0, 0, new ArrayList<>(), result);
    5. return result;
    6. }
    7. private void solveNQueensHelper(int n, int row, int col, int ld, int rd, List solution, List> result) {
    8. // 找到一个可行解
    9. if (row == n) {
    10. result.add(new ArrayList<>(solution));
    11. return;
    12. }
    13. // 生成当前行的可选位置
    14. int availablePositions = ((1 << n) - 1) & (~(col | ld | rd));
    15. // 在当前行逐个尝试可选位置
    16. while (availablePositions != 0) {
    17. int position = availablePositions & (-availablePositions); // 获取最低位的 1
    18. int columnIndex = Integer.bitCount(position - 1); // 获取最低位的 1 所在的列索引
    19. // 构建当前行的字符串表示
    20. StringBuilder sb = new StringBuilder();
    21. for (int i = 0; i < n; i++) {
    22. sb.append(i == columnIndex ? 'Q' : '.');
    23. }
    24. solution.add(sb.toString());
    25. // 更新下一行的状态
    26. solveNQueensHelper(n, row + 1, col | position, (ld | position) << 1, (rd | position) >> 1, solution, result);
    27. // 恢复当前行的状态
    28. solution.remove(solution.size() - 1);
    29. // 清除最低位的 1,继续尝试下一个可选位置
    30. availablePositions &= (availablePositions - 1);
    31. }
    32. }
    33. }

    这段代码中,使用位运算来记录每个皇后的位置,其中 col 表示已占据的列,ld 表示已占据的左对角线,rd 表示已占据的右对角线。通过位运算可以快速判断某个位置是否可选。

    在 solveNQueensHelper 方法中,递归地尝试每个可选位置,并更新下一行的状态。当找到一个可行解时,将其添加到结果列表中。最后,将整个结果返回。

    复杂度分析:

    时间复杂度:

    • 构建可选位置集合的操作需要遍历每个列,时间复杂度为 O(N)。
    • 在递归求解过程中,每行都需要尝试遍历可选位置,时间复杂度为 O(N!)。 综上,总的时间复杂度为 O(N * N!)。

    空间复杂度:

    • 递归调用栈的深度为 N,每层递归需要常数级别的额外空间,因此空间复杂度为 O(N)。
    • 存储结果列表的空间复杂度为 O(N^2 * N!),其中 N^2 是存储每个解所需的空间。 综上,总的空间复杂度为 O(N^2 * N!).

    需要注意的是,虽然使用位运算可以提高算法的执行效率,但是在 N 很大时,N 皇后问题仍然是一个非常耗时的问题。因此,在实际应用中,当 N 较大时,可能需要考虑其他更加高效的解决方案。

    LeetCode运行结果:

    方法四:DFS(深度优先搜索)
    1. import java.util.ArrayList;
    2. import java.util.List;
    3. class Solution {
    4. public List> solveNQueens(int n) {
    5. List> result = new ArrayList<>();
    6. boolean[] colUsed = new boolean[n];
    7. boolean[] diag1Used = new boolean[2 * n - 1];
    8. boolean[] diag2Used = new boolean[2 * n - 1];
    9. char[][] board = new char[n][n];
    10. for (int i = 0; i < n; i++) {
    11. for (int j = 0; j < n; j++) {
    12. board[i][j] = '.';
    13. }
    14. }
    15. dfs(0, n, board, colUsed, diag1Used, diag2Used, result);
    16. return result;
    17. }
    18. private void dfs(int row, int n, char[][] board, boolean[] colUsed, boolean[] diag1Used, boolean[] diag2Used, List> result) {
    19. // 找到一个可行解
    20. if (row == n) {
    21. List solution = new ArrayList<>();
    22. for (int i = 0; i < n; i++) {
    23. solution.add(new String(board[i]));
    24. }
    25. result.add(solution);
    26. return;
    27. }
    28. for (int col = 0; col < n; col++) {
    29. int diag1 = row + col;
    30. int diag2 = row - col + n - 1;
    31. // 检查当前位置是否可放置皇后
    32. if (!colUsed[col] && !diag1Used[diag1] && !diag2Used[diag2]) {
    33. board[row][col] = 'Q';
    34. colUsed[col] = true;
    35. diag1Used[diag1] = true;
    36. diag2Used[diag2] = true;
    37. // 继续搜索下一行
    38. dfs(row + 1, n, board, colUsed, diag1Used, diag2Used, result);
    39. // 恢复当前位置的状态
    40. board[row][col] = '.';
    41. colUsed[col] = false;
    42. diag1Used[diag1] = false;
    43. diag2Used[diag2] = false;
    44. }
    45. }
    46. }
    47. }

    在这段代码中,我们使用 boolean 数组来表示每一列、每一条正对角线和反对角线是否已经被占用。我们使用二维字符数组来表示棋盘,其中皇后的位置用 'Q' 表示,空位置用 '.' 表示。

    在 solveNQueens 方法中,首先初始化棋盘和状态数组,然后调用 dfs 方法进行深度优先搜索。

    dfs 方法采用递归的方式,从第 0 行开始,逐行遍历每个位置。对于每个位置,检查当前列、正对角线和反对角线是否已经被占用。如果没有被占用,则将皇后放在该位置,并更新状态数组。然后递归地搜索下一行。当搜索到最后一行时,得到一个可行解,将其保存到结果列表中。最后,恢复当前位置的状态,继续尝试下一个位置。

    复杂度分析:

    时间复杂度:

    • 在递归求解过程中,每行都需要尝试遍历可选位置,时间复杂度为 O(N!)。
    • 在每个位置上,需要检查当前列、正对角线和反对角线是否已经被占用,每次检查的时间复杂度为 O(1)。 综上,总的时间复杂度为 O(N * N!).

    空间复杂度:

    • 递归调用栈的深度为 N,每层递归需要常数级别的额外空间,因此空间复杂度为 O(N)。
    • 存储结果列表的空间复杂度为 O(N^2 * N!),其中 N^2 是存储每个解所需的空间。 综上,总的空间复杂度为 O(N^2 * N!).

    需要注意的是,尽管在代码中使用了剪枝操作来减少不必要的搜索,但是对于较大的 N,仍然会有大量的组合需要尝试。因此,在实际应用中,当 N 较大时,可能需要考虑其他更加高效的解决方案或优化算法。

    LeetCode运行结果:

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