• Leetcode338. 比特位计数


    Leetcode338. 比特位计数

    题目:
    给你一个整数 n ,对于 0 <= i <= n 中的每个 i ,计算其二进制表示中 1 的个数 ,返回一个长度为 n + 1 的数组 ans 作为答案。

    示例 1:

    输入:n = 2
    输出:[0,1,1]
    解释:
    0 --> 0
    1 --> 1
    2 --> 10
    
    • 1
    • 2
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    • 4
    • 5
    • 6

    示例 2:

    输入:n = 5
    输出:[0,1,1,2,1,2]
    解释:
    0 --> 0
    1 --> 1
    2 --> 10
    3 --> 11
    4 --> 100
    5 --> 101
    
    • 1
    • 2
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    题解:
    方案一:动态规划——最低设置位
    定义正整数 x x x 的「最低设置位」为 x x x 的二进制表示中的最低的 1 所在位。例如, 1010 1010 1010 的二进制表示是 101 0 ( 2 ) 1010_{(2)} 1010(2),其最低设置位为 2,对应的二进制表示是 1 0 ( 2 ) 10_{(2)} 10(2)
    y = x   &   ( x − 1 ) y=x~\&~(x-1) y=x & (x1),则 y y y 为将 x x x 的最低设置位从 1 变成 0 之后的数,显然 0 ≤ y < x 0 \le y0y<x bits [ x ] = bits [ y ] + 1 \textit{bits}[x]=\textit{bits}[y]+1 bits[x]=bits[y]+1。因此对任意正整数 x x x,都有 bits [ x ] = bits [ x   &   ( x − 1 ) ] + 1 \textit{bits}[x]=\textit{bits}[x~\&~(x-1)]+1 bits[x]=bits[x & (x1)]+1
    遍历从 1 到 n n n 的每个正整数 i i i,计算 bits \textit{bits} bits 的值。最终得到的数组 bits \textit{bits} bits 即为答案。

    方案二:动态规划——最高有效位
    当计算 i i i 的「一比特数」时,如果存在 0 ≤ j < i 0 \le j0j<i j j j 的「一比特数」已知,且 i i i j j jj 相比, i i i 的二进制表示只多了一个 1,则可以快速得到 i i i 的「一比特数」。
    bits [ i ] \textit{bits}[i] bits[i]表示 i i i 的「一比特数」,则上述关系可以表示成: bits [ i ] = bits [ j ] + 1 \textit{bits}[i]= \textit{bits}[j]+1 bits[i]=bits[j]+1
    对于正整数 x x x,如果可以知道最大的正整数 y y y,使得 y ≤ x y \le x yx y y y 是 2的整数次幂,则 y y y 的二进制表示中只有最高位是 1,其余都是 0,此时称 y y y x x x 的「最高有效位」。令 z = x − y z=x-y z=xy,显然 0 ≤ z < x 0 \le z0z<x,则 bits [ x ] = bits [ z ] + 1 \textit{bits}[x]=\textit{bits}[z]+1 bits[x]=bits[z]+1
    为了判断一个正整数是不是 2 的整数次幂,可以利用按位与运算的性质。如果正整数 y y y 是 2 的整数次幂,则 y y y 的二进制表示中只有最高位是 1,其余都是 00,因此 y   &   ( y − 1 ) = 0 y~\&~(y-1)=0 y & (y1)=0。由此可见,正整数 y y y 是 2 的整数次幂,当且仅当 y   &   ( y − 1 ) = 0 y~\&~(y-1)=0 y & (y1)=0
    显然,0 的「一比特数」为 0。使用 highBit \textit{highBit} highBit 表示当前的最高有效位,遍历从 1 到 n n n 的每个正整数 i i i,进行如下操作。
    如果 i   &   ( i − 1 ) = 0 i~\&~(i-1)=0 i & (i1)=0,则令 highBit = i \textit{highBit}=i highBit=i,更新当前的最高有效位。
    i i i i − highBit i-\textit{highBit} ihighBit的「一比特数」多 1,由于是从小到大遍历每个整数,因此遍历到 i i i 时, i − highBit i-\textit{highBit} ihighBit 的「一比特数」已知,令 bits [ i ] = bits [ i − highBit ] + 1 \textit{bits}[i]=\textit{bits}[i-\textit{highBit}]+1 bits[i]=bits[ihighBit]+1
    最终得到的数组 bits \textit{bits} bits 即为答案。

    方案三:动态规划——最低有效位
    方法二需要实时维护最高有效位,当遍历到的数是 2 的整数次幂时,需要更新最高有效位。如果再换一个思路,可以使用「最低有效位」计算「一比特数」。
    对于正整数 x x x,将其二进制表示右移一位,等价于将其二进制表示的最低位去掉,得到的数是
    ⌊ x 2 ⌋ \lfloor \frac{x}{2}\rfloor 2x
    如果 bits [ ⌊ x 2 ⌋ ] \textit{bits}\big[\lfloor \frac{x}{2} \rfloor\big] bits[2x]的值已知,则可以得到 bits [ x ] \textit{bits}[x] bits[x] 的值:
    如果 x x x是偶数,则 bits [ x ] = bits [ ⌊ x 2 ⌋ ] \textit{bits}[x]=\textit{bits}\big[\lfloor \frac{x}{2} \rfloor\big] bits[x]=bits[2x]
    如果 x x x 是奇数,则 bits [ x ] = bits [ ⌊ x 2 ⌋ ] + 1 \textit{bits}[x]=\textit{bits}\big[\lfloor \frac{x}{2} \rfloor\big]+1 bits[x]=bits[2x]+1
    上述两种情况可以合并成: bits [ x ] \textit{bits}[x] bits[x] 的值等于 bits [ ⌊ x 2 ⌋ ] \textit{bits}\big[\lfloor \frac{x}{2} \rfloor\big] bits[2x]的值加上 x x x 除以 2 的余数。
    由于 ⌊ x 2 ⌋ \lfloor \frac{x}{2} \rfloor 2x可以通过 x > > 1 x >> 1 x>>1 得到, x x x 除以 2 的余数可以通过 x   &   1 x~\&~1 x & 1 得到,因此有: bits [ x ] = bits [ x > > 1 ] + ( x   &   1 ) \textit{bits}[x]=\textit{bits}[x>>1]+(x~\&~1) bits[x]=bits[x>>1]+(x & 1)
    遍历从 1 到 n n n 的每个正整数 i,计算 bits \textit{bits} bits 的值。最终得到的数组 bits \textit{bits} bits 即为答案。

    java代码:

    /**
         * @param n
         * @return
         */
        public static int[] countBits(int n) {
            int[] dp = new int[n + 1];
    
            for (int i = 1; i <= n; i++) {
                dp[i] = dp[i & (i - 1)] + 1;
            }
            return dp;
        }
    
        /**
         * 
         * @param n
         * @return
         */
        public static int[] countBits2(int n) {
            int[] dp = new int[n + 1];
            int highbit = 0;
            for (int i = 1; i <= n; i++) {
                if ((i & (i - 1)) == 0) {
                    highbit = i;
                }
                dp[i] = dp[i - highbit] + 1;
            }
            return dp;
        }
    
        /**
         *
         * @param n
         * @return
         */
        public static int[] countBits3(int n) {
            int[] dp = new int[n + 1];
            for (int i = 1; i <= n; i++) {
                dp[i] = dp[i >> 1] + (i & 1);
            }
            return dp;
        }
    
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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/sunhaiting666/article/details/126389593