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問題介紹
這是個超級超級經(jīng)典的分治算法!!這個問題大致是說禀梳,如何在給定的兩個有序數(shù)組里面找其中的中值浓冒,或者變形問題衙吩,如何在2個有序數(shù)組數(shù)組中查找Top K的值(Top K的問題可以轉(zhuǎn)換成求第k個元素的問題)笔刹。這個算法在很多實(shí)際應(yīng)用中都會用到芥备,特別是在當(dāng)前大數(shù)據(jù)的背景下。
我覺得下面的這個思路特別好舌菜,特別容易理解C瓤恰!請按順序看日月。是來自leetcode上的stellari英文答案袱瓮,我整理并自己修改了一下。
預(yù)備知識
先解釋下“割”
我們通過切一刀爱咬,能夠把有序數(shù)組分成左右兩個部分尺借,切的那一刀就被稱為割(Cut),割的左右會有兩個元素精拟,分別是左邊最大值和右邊最小值燎斩。
我們定義L = Max(LeftPart),R = Min(RightPart)
Ps. 割可以割在兩個數(shù)中間蜂绎,也可以割在1個數(shù)上栅表,如果割在一個數(shù)上,那么這個數(shù)即屬于左邊荡碾,也屬于右邊谨读。(后面講單數(shù)組中值問題的時候會說)
比如說[2 3 5 7]這個序列,割就在3和5之間
[2 3 / 5 7]
中值就是(3+5)/2 = 4
如果[2 3 4 5 6]這個序列坛吁,割在4上劳殖,我們可以把4分成2個
[2 3 (4/4) 5 7]
中值就是(4+4)/2 = 4
這樣可以保證不管中值是1個數(shù)還是2個數(shù)都能統(tǒng)一運(yùn)算。
割和第k個元素
對于單數(shù)組拨脉,找其中的第k個元素特別好做哆姻,我們用割的思想就是:
常識1:如果在k的位置割一下,然后A[k]就是L玫膀。換言之矛缨,就是如果左側(cè)有k個元素,A[k]屬于左邊部分的最大值帖旨。(都是明顯的事情箕昭,這個不用解釋吧!)
雙數(shù)組
我們設(shè):
????Ci為第i個數(shù)組的割解阅。
????Li為第i個數(shù)組割后的左元素.
????Ri為第i個數(shù)組割后的右元素落竹。
[圖片上傳失敗...(image-82acc2-1584541055375)]
如何從雙數(shù)組里取出第k個元素
[圖片上傳失敗...(image-9c664f-1584541055375)]
- 首先????<=????Li<=Ri是肯定的(因為數(shù)組有序,左邊肯定小于右邊)
- 如果我們讓??1<=??2L1<=R2 && ??2<=??1L2<=R1
- 那么左半邊 全小于右半邊货抄,如果左邊的元素個數(shù)相加剛好等于k述召,那么第k個元素就是Max(L1,L2)朱转,參考上面常識1。
- 如果 L1>R2积暖,說明數(shù)組1的左邊元素太大(多)藤为,我們把C1減小,把C2增大夺刑。L2>R1同理缅疟,把C1增大,C2減小性誉。
假設(shè)k=3
對于
[1 4 7 9][1 4 7 9]
[2 3 5][2 3 5]
設(shè)C1 = 2窿吩,那么C2 = k-C1 = 1
[1 4/7 9][1 4/7 9]
[2/3 5][2/3 5]
這時候,L1(4)>R2(3)错览,說明C1要減小凌彬,C2要增大弯淘,C1 = 1讼溺,C2=k-C1 = 2
[1/4 7 9][1/4 7 9]
[2 3/5][2 3/5]
這時候寇荧,滿足了??1<=??2L1<=R2 && ??2<=??1L2<=R1,第3個元素就是Max(1,3) = 3羞海。
如果對于上面的例子忌愚,把k改成4就恰好是中值。
下面具體來看特殊情況的中值問題却邓。
雙數(shù)組的奇偶
中值的關(guān)鍵在于硕糊,如何處理奇偶性,單數(shù)組的情況腊徙,我們已經(jīng)討論過了简十,那雙數(shù)組的奇偶問題怎么辦,m+n為奇偶處理方案都不同撬腾。
讓數(shù)組恒為奇數(shù)
有沒有辦法讓兩個數(shù)組長度相加一定為奇數(shù)或偶數(shù)呢螟蝙?
其實(shí)有的,虛擬加入‘#'(這個trick在manacher算法中也有應(yīng)用)民傻,讓數(shù)組長度恒為奇數(shù)(2n+1恒為奇數(shù))胰默。
Ps.注意是虛擬加,其實(shí)根本沒這一步漓踢,因為通過下面的轉(zhuǎn)換牵署,我們可以保證虛擬加后每個元素跟原來的元素一一對應(yīng)
映射關(guān)系
這有什么好處呢,為什么這么加?因為這么加完之后喧半,每個位置可以通過/2得到原來元素的位置碟刺。
在虛擬數(shù)組里表示“割”
不僅如此,割更容易薯酝,如果割在‘#'上等于割在2個元素之間半沽,割在數(shù)字上等于把數(shù)字劃到2個部分。
奇妙的是不管哪種情況:
Li = (Ci-1)/2
Ri = Ci/2
例:
- 割在4/7之間‘#'吴菠,C = 4者填,L=(4-1)/2=1 ,R=4/2=2
剛好是4和7的原來位置做葵! - 割在3上占哟,C = 3,L=(3-1)/2=1酿矢,R=3/2 =1榨乎,剛好都是3的位置!
剩下的事情就好辦了瘫筐,把2個數(shù)組看做一個虛擬的數(shù)組A蜜暑,目前有2m+2n+2個元素,割在m+n+1處策肝,所以我們只需找到m+n+1位置的元素和m+n+2位置的元素就行了肛捍。
左邊:A[m+n] = Max(L1+L2)
右邊:A[m+n+1] = Min(R1+R2)
Mid = (A[m+n]+A[m+n+1])/2
= (Max(L1+L2) + Min(R1+R2) )/2
至于在兩個數(shù)組里找割的方案,就是上面的方案之众。
分治的思路
有了上面的知識后拙毫,現(xiàn)在的問題就是如何利用分治的思想。
怎么分棺禾?
最快的分的方案是二分缀蹄,有2個數(shù)組,我們對哪個做二分呢膘婶?
根據(jù)之前的分析缺前,我們知道了,只要C1或C2確定竣付,另外一個也就確定了诡延。這里,為了效率古胆,我們肯定是選長度較短的做二分肆良,假設(shè)為C1。
怎么治逸绎?
也比較簡單惹恃,我們之前分析了:就是比較L1,L2和R1,R2。
- L1>R2棺牧,把C1減小巫糙,C2增大〖粘耍—> C1向左二分
- L2>R1参淹,把C1增大醉锄,C2減小≌阒担—> C1向右二分
越界問題
如果C1或C2已經(jīng)到頭了怎么辦恳不?
這種情況出現(xiàn)在:如果有個數(shù)組完全小于或大于中值】牛可能有4種情況:
- C1 = 0 —— 數(shù)組1整體都比中值大烟勋,L1 >R2,中值在2中
- C2 = 0 —— 數(shù)組1整體都比中值小筐付,L1 <R2卵惦,中值在1中
- C1 = n*2 —— 數(shù)組1整體都比中值小,L1 <R2瓦戚,中位數(shù)在2中
- C2 = m*2 —— 數(shù)組1整體都比中值大沮尿,L1 >R2,中位數(shù)在1中
考慮下面兩種情況了伤极,解決方案:
- 如果C1 = 0 —> 那么我們縮小L1蛹找,L1 = INT_MIN,保證判斷正確哨坪。
- 如果C1 = n*2 —> 那么我們增大R1庸疾,R1 = INT_MAX,保證判斷正確当编。
剩下兩種情況解決方案類似届慈。