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LeetCode 算法题解:滑动窗口与数组合并的实战应用

LeetCode 算法题解:滑动窗口与数组合并的实战应用

目录

题目一:3. 无重复字符的最长子串 - 力扣(LeetCode)

题目描述

为什么选择“滑动窗口 + 哈希表”?

解题思路:滑动窗口 + 哈希表

Java 代码实现

题目二:4. 寻找两个正序数组的中位数 - 力扣(LeetCode)

题目描述

为什么选择“双指针合并法”(以及它的局限)?

Java 代码实现(双指针合并法)


题目一:3. 无重复字符的最长子串 - 力扣(LeetCode)

题目描述

给定一个字符串s,请你找出其中不含有重复字符的最长子串的长度。

示例 1:

  • 输入:s = "abcabcbb"

  • 输出:3

  • 解释:因为无重复字符的最长子串是"abc",所以其长度为 3。注意"bca"和"cab"也是正确答案。

示例 2:

  • 输入:s = "bbbbb"

  • 输出:1

  • 解释:因为无重复字符的最长子串是"b",所以其长度为 1。

示例 3:

  • 输入:s = "pwwkew"

  • 输出:3

  • 解释:因为无重复字符的最长子串是"wke",所以其长度为 3。

为什么选择“滑动窗口 + 哈希表”?

看到这道题,我们的思考路径应该是这样的:

  1. 抓住关键字:“子串”。子串意味着必须是连续的一段。这与“子序列”(可以不连续)有本质区别。对于连续区间的问题,最常用的思想就是双指针。

  2. 抓住关键字:“无重复”。既然要求无重复,我们就需要一个数据结构(通常是哈希表或数组)来记录当前区间内出现了哪些字符及其频次,以便做到 O(1)O(1) 的快速查询。

  3. 为什么不用暴力法?如果暴力枚举所有子串,再用哈希表判断是否重复,时间复杂度会达到 O(N2)O(N2) 甚至 O(N3)O(N3),当字符串很长时一定会超时。

  4. 为什么是“滑动窗口”?假设我们已经找到了一个无重复的子串[left, right]。当我们把右边界right往右移动一个字符时:

    • 如果新字符没出现过,那太好了,当前无重复子串变长了,更新答案。

    • 如果新字符出现过,说明当前窗口里有重复元素了。关键来了:我们不需要把left退回起点重新开始(那是暴力法),因为既然包含了新字符后发生重复,那么只要那个重复的字符还在窗口里,子串就一直不合法。因此,我们只需要把左边界left不断向右移动,直到把那个重复的字符“挤出去”为止。

    • 这种left和right都只向右移动、不回退的特性,被称为单调性,这正是滑动窗口能将时间复杂度降到 O(N)O(N) 的核心原因。

解题思路:滑动窗口 + 哈希表

这道题是经典的滑动窗口(Sliding Window)应用题。

  1. 定义两个指针left和right,分别代表窗口的左右边界。

  2. 使用一个HashMap来记录窗口内字符出现的次数。

  3. right指针不断向右移动,每次移动将当前字符加入HashMap并计数。

  4. 当HashMap中某个字符的计数大于 1 时,说明窗口内出现了重复字符。此时我们需要移动left指针,缩小窗口,直到该字符的计数重新回到 1。

  5. 在每次循环中,更新当前无重复字符子串的最大长度ret。

Java 代码实现

class Solution { public int lengthOfLongestSubstring(String s) { char[] str = s.toCharArray(); int n = str.length; int left = 0, right = 0, ret = 0; // 用于记录窗口内字符出现的频次 Map<Character, Integer> hash = new HashMap<>(); while (right < n) { char ch = str[right]; hash.put(ch, hash.getOrDefault(ch, 0) + 1); // 如果当前字符出现次数大于 1,说明窗口内存在重复字符 // 移动左指针,缩小窗口,直到该字符的频次降为 1 while (hash.get(ch) > 1) { hash.put(str[left], hash.get(str[left]) - 1); left++; } // 更新最大长度 ret = Math.max(ret, right - left + 1); right++; } return ret; } }

题目二:4. 寻找两个正序数组的中位数 - 力扣(LeetCode)

题目描述

给定两个大小分别为m和n的正序(从小到大)数组nums1和nums2。请你找出并返回这两个正序数组的中位数。
要求:算法的时间复杂度应该为 O(log⁡(m+n))O(log(m+n))。

示例 1:

  • 输入:nums1 = [1,3], nums2 = [2]

  • 输出:2.00000

  • 解释:合并数组 =[1,2,3],中位数 2

示例 2:

  • 输入:nums1 = [1,2], nums2 = [3,4]

  • 输出:2.50000

  • 解释:合并数组 =[1,2,3,4],中位数 (2 + 3) / 2 = 2.5

为什么选择“双指针合并法”(以及它的局限)?

从这道题的题干中,我们可以提取出几个核心线索:

  1. “两个正序数组”:既然是有序的,那就极大概率可以用到双指针。这就好比我们有两叠按大小排好的扑克牌,要把它们合在一起按顺序排好,最直观的方法就是两只手各拿一叠,每次比较最上面的一张,谁小就先放下。

  2. “中位数”:中位数的定义是将数组排序后处于中间位置的数。这天然就需要我们对数据进行“排序”或者“找第 K 小”的操作。

  3. 为什么图片中用了双指针合并?因为这是最符合人类直觉的解法。开辟一个新数组,用两个指针分别遍历两个原数组,每次把较小的元素放入新数组。合并完成后,直接根据新数组的总长度的奇偶性,取出中位数。

  4. 这种方法的问题在哪?虽然直观易懂,但它的时间复杂度是O(m+n)O(m+n),空间复杂度也是O(m+n)O(m+n)。注意题目要求:时间复杂度应为 O(log⁡(m+n))O(log(m+n))。看到log这个词,我们应该本能地想到“二分查找”。

Java 代码实现(双指针合并法)

class Solution { public double findMedianSortedArrays(int[] nums1, int[] nums2) { int m = nums1.length, n = nums2.length; int[] arr = new int[m + n]; int left = 0, right = 0, i = 0; // 1. 双指针合并两个有序数组 while (left < m || right < n) { // 使用 0x3f3f3f3f 作为无穷大占位符,防止数组越界 int s1 = 0x3f3f3f3f; int s2 = 0x3f3f3f3f; if (left < m) s1 = nums1[left]; if (right < n) s2 = nums2[right]; if (s1 > s2) { arr[i++] = s2; right++; } else { arr[i++] = s1; left++; } } int sum = m + n; if (sum == 0) return 0; // 2. 计算中位数 if (sum % 2 == 0) { // 偶数个元素,中间两个数的平均值 return (double)(arr[sum / 2 - 1] + arr[sum / 2]) / 2; } else { // 奇数个元素,正中间的数 return (double)arr[sum / 2]; } } }
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