本期例题:LeetCode 189 - Rotate Array(Easy)
给定一个数组,将数组中的元素向右移动 k 个位置,其中 k 是非负数。
旋转数组是一道非常经典的题目,也是一个典型的“看过答案才恍然大悟”的题目。在准备面试的时候,这道题目是不可不知的。
你也许已经知道这道题的解法,也许一无所知。不过,本篇文章的重点不是讲解这道题。题目本身的答案不重要,重要的是能够分析其背后的原理,举一反三。本文将分析这个题目如何由基本操作得来,以及基本操作的为例。
这篇文章将会包含:
- 本期例题的多种解法
- reverse 操作的多种应用
- 何为基本操作
- 相关题目与参考资料
旋转数组问题的解法
下面将展示旋转数组的三种不同的解法。
解法1:使用额外空间
这是最普通的一种解法。我们可以使用一个辅助数组存储原数组末尾的 k 个数字,然后再移动剩下的数字。数字移动的过程如下所示。
这种解法的时间复杂度是 $O(n)$,空间复杂度是 $O(k)$。很显然,它使用了额外的空间,还可以进一步优化。
解法2:环状替换
有些人首先想到的是这个思路。我们可以轻松推出每个数字最后应该在的位置,那么就可以一个一个地把它们放到正确的位置上。以 $n=7$、$k=2$ 为例,移动的顺序是:1 ➝ 3 ➝ 5 ➝ 7 ➝ 2 ➝ 4 ➝ 6 ➝ 1。如下图所示,所有的箭头构成了一个环。
那么我们的替换方法是:先用临时变量保存 1,将 6 放到 1 处,再将 4 放到 6 处…… 以此类推,最后将 1 放到 3 处。
不过,这种解法的正确性不容易证明。实际上,当 $n$ 是 $k$ 的倍数时,上面的这种替换方法并不成立。如下图所示,当 $n=8$、$k=2$ 时,实际上存在两个环:
- 1 ➝ 3 ➝ 5 ➝ 7 ➝ 1
- 2 ➝ 4 ➝ 6 ➝ 8 ➝ 2
如果从 1 出发,将只能替换 1、3、5、7 四个数,还需要再从 2 出发一遍。可见这种思路在实现上也比较麻烦。虽然这种方法达到了 $O(n)$ 的时间复杂度和 $O(1)$ 的空间复杂度,但是由于证明和实现上的复杂,并不推荐。
解法3:reverse 操作
可能你已经知道了 reverse 操作的解法,如果你还不知道的话,那么这个解法会让你恍然大悟,就像 Two Sum 问题的那个双指针解法一样。先将整个数组反转,再将数组的前后两半(前 k 个数和后 k 个数)分别反转,就可以实现数组的旋转了。
三次反转(reverse)操作的过程如下图所示:
相应的代码如下,非常简单明了。这个解法容易理解、容易证明、容易记忆,又能达到最好的 $O(n)$ 时间、$O(1)$ 空间,可以说是最完美的解法。
public void rotate(int[] nums, int k) {
int N = nums.length;
k %= N;
reverse(nums, 0, N);
reverse(nums, 0, k);
reverse(nums, k, N);
}
void reverse(int[] nums, int begin, int end) {
for (int i = begin, j = end - 1; i < j; i++, j--) {
int temp = nums[i];
nums[i] = nums[j];
nums[j] = temp;
}
}
基本操作的威力
这个三次 reverse 的解法,确实巧妙而有效,但是,如何能自己想出这个解法呢?似乎除了“见多识广”之外,并没有更好的方法。当然,还有一种方法是对 reverse 这样的基本操作十分熟悉。这道题我们的目标是达到 $O(n)$ 的时间复杂度,$O(1)$ 的空间复杂度。而如果我们对 reverse 操作熟悉,知道它同样是 $O(n)$ 时间、$O(1)$ 空间的操作,就可以思考能否用 reverse 做到。
如果直接让你写一段反转数组的代码,那么每个人都可以轻松写出,然后分析它的时间空间复杂度。但是如果我们没有把反转数组视为一个基本操作,就无法举一反三,应用到其他题目中。
心理学家曾研究过, 人的短期记忆长度大约为 7 个单位。通俗地说,我们思考问题时的“工作台”(或者比喻为“缓存大小”)是有限的。如果将 reverse 视为一个基本操作,则旋转数组这个问题只需要考虑三个操作之间的组合关系。而如果 reverse 要看成若干个操作的组合,大脑中的工作台就放不下这么多操作,也就很可能想不出问题的答案。
上面的题解代码中也是遵循“基本操作”的原理,将 reverse
写为单独的函数,这样核心的代码就只有三行了。实际上,如果是熟悉 C++ 的人,会知道 C++ 中就有现成的反转数组操作 std::reverse
,用这个写出来的题解代码非常简洁:
void rotate(vector<int>& nums, int k) {
k %= nums.size();
reverse(nums.begin(), nums.end());
reverse(nums.begin(), nums.begin() + k);
reverse(nums.begin() + k, nums.end());
}
没错,如果说在其他语言中,reverse 还只是一种思路上的基本操作的话,在 C++ 中,reverse 已经是一种语言上的基本操作。这更能体现基本操作是如何减轻思维上的负担的。当然,我不是在宣扬 C++ 有多好,不过多接触不同的语言确实是有好处的,有时候能跳出当前语言的一些局限性,避免让语言的局限成为思维上的束缚。
像 reverse 这样的基本操作还可以有很多:
- 在有序数组中搜索一个数,需要 $O(\log n)$ 的时间(二分搜索)
- 在数组中以一个枢纽元素为基准划分为大小两半,需要 $O(n)$ 的时间(快速排序的 partition 步骤)
除此之外,我们学习过的堆、平衡二叉搜索树、散列表的各项时间、空间复杂度,都是基本操作的例子,它们不仅对分析算法的复杂度有帮助,更在我们设计算法的时候起到重要的作用。
reverse 操作的更多应用
旋转数组有一道推广题目,反转单词: LeetCode 151 - Reverse Words in a String(Medium)
将字符串中的单词顺序进行反转。例如:
-
输入:"the sky is blue"
-
输出:"blue is sky the"
如果你刚刚做过反转数组,那么应该能够轻松想出这道题的思路。这道题的解法思路其实和旋转数组是相同的:先做整体的反转,再做每个单词的反转。过程如下图所示。
另外,reverse 操作还可以用在一些字符串和数字转化的题目中。例如:
-
LeetCode 415 - Add Strings(Easy)
计算两个字符串形式的非负整数的和。
-
LeetCode 504 - Base 7(Easy)
给定一个整数,将其转化为7进制,并以字符串形式输出。
无论是做加法还是进制转换,都是先计算结果的低位数字,再到高位数字。而输出的是字符串形式,这意味着要不断在字符串的开头插入字符,时间开销很大。
一种解决方法是使用数组或栈来临时保存结果的每一位数字,最后再输出成字符串。当然还有另一个更简单的方法:直接输出一个“反着的”结果字符串,最后再将字符串反转即可。
总结
《编程珠玑》第 2.3 章中讲到了同样的旋转数组问题。本篇的标题“基本操作的威力”正是使用了书中的标题。书中提到了一个实际的例子:文本编辑器中“行的移动”的操作,实际上就是数组的旋转。使用 reverse 操作实现的代码,一次就可以正确运行,而基于链表的代码则有几个 bug。这是本文中没有提到的、基本操作的另外一个例子:更容易实现。
“容易想出解题思路”和“容易写出实现代码”其实是相辅相成的。因为代码实际上就是思路在纸上的落实。我们在面试中,需要锻炼这种能在有限时间内写出正确的、bug-free 代码的能力。所以我们在做题的时候,需要重点掌握的不是那些最快速、最花哨的解法,而是思路最清晰、代码最简洁的解法。
本篇文章以 reverse 为例讲述了基本操作的重要作用,希望你能在做题的过程中总结出更多的基本操作。下篇文章是姊妹篇,将介绍“基本数据结构”的作用,敬请期待。
本期例题: LeetCode 189 - Rotate Array(Easy)
给定一个数组,将数组中的元素向右移动 k 个位置,其中 k 是非负数。
旋转数组是一道非常经典的题目,也是一个典型的“看过答案才恍然大悟”的题目。在准备面试的时候,这道题目是不可不知的。
你也许已经知道这道题的解法,也许一无所知。不过,本篇文章的重点不是讲解这道题。题目本身的答案不重要,重要的是能够分析其背后的原理,举一反三。本文将分析这个题目如何由基本操作得来,以及基本操作的为例。
这篇文章将会包含:
- 本期例题的多种解法
- reverse 操作的多种应用
- 何为基本操作
- 相关题目与参考资料
旋转数组问题的解法
下面将展示旋转数组的三种不同的解法。
解法1:使用额外空间
这是最普通的一种解法。我们可以使用一个辅助数组存储原数组末尾的 k 个数字,然后再移动剩下的数字。数字移动的过程如下所示。
这种解法的时间复杂度是 $O(n)$,空间复杂度是 $O(k)$。很显然,它使用了额外的空间,还可以进一步优化。
解法2:环状替换
有些人首先想到的是这个思路。我们可以轻松推出每个数字最后应该在的位置,那么就可以一个一个地把它们放到正确的位置上。以 $n=7$、$k=2$ 为例,移动的顺序是:1 ➝ 3 ➝ 5 ➝ 7 ➝ 2 ➝ 4 ➝ 6 ➝ 1。如下图所示,所有的箭头构成了一个环。
那么我们的替换方法是:先用临时变量保存 1,将 6 放到 1 处,再将 4 放到 6 处…… 以此类推,最后将 1 放到 3 处。
不过,这种解法的正确性不容易证明。实际上,当 $n$ 是 $k$ 的倍数时,上面的这种替换方法并不成立。如下图所示,当 $n=8$、$k=2$ 时,实际上存在两个环:
- 1 ➝ 3 ➝ 5 ➝ 7 ➝ 1
- 2 ➝ 4 ➝ 6 ➝ 8 ➝ 2
如果从 1 出发,将只能替换 1、3、5、7 四个数,还需要再从 2 出发一遍。可见这种思路在实现上也比较麻烦。虽然这种方法达到了 $O(n)$ 的时间复杂度和 $O(1)$ 的空间复杂度,但是由于证明和实现上的复杂,并不推荐。
解法3:reverse 操作
可能你已经知道了 reverse 操作的解法,如果你还不知道的话,那么这个解法会让你恍然大悟,就像 Two Sum 问题的那个双指针解法一样。先将整个数组反转,再将数组的前后两半(前 k 个数和后 k 个数)分别反转,就可以实现数组的旋转了。
三次反转(reverse)操作的过程如下图所示:
相应的代码如下,非常简单明了。这个解法容易理解、容易证明、容易记忆,又能达到最好的 $O(n)$ 时间、$O(1)$ 空间,可以说是最完美的解法。
public void rotate(int[] nums, int k) {
int N = nums.length;
k %= N;
reverse(nums, 0, N);
reverse(nums, 0, k);
reverse(nums, k, N);
}
void reverse(int[] nums, int begin, int end) {
for (int i = begin, j = end - 1; i < j; i++, j--) {
int temp = nums[i];
nums[i] = nums[j];
nums[j] = temp;
}
}
基本操作的威力
这个三次 reverse 的解法,确实巧妙而有效,但是,如何能自己想出这个解法呢?似乎除了“见多识广”之外,并没有更好的方法。当然,还有一种方法是对 reverse 这样的基本操作十分熟悉。这道题我们的目标是达到 $O(n)$ 的时间复杂度,$O(1)$ 的空间复杂度。而如果我们对 reverse 操作熟悉,知道它同样是 $O(n)$ 时间、$O(1)$ 空间的操作,就可以思考能否用 reverse 做到。
如果直接让你写一段反转数组的代码,那么每个人都可以轻松写出,然后分析它的时间空间复杂度。但是如果我们没有把反转数组视为一个基本操作,就无法举一反三,应用到其他题目中。
心理学家曾研究过, 人的短期记忆长度大约为 7 个单位。通俗地说,我们思考问题时的“工作台”(或者比喻为“缓存大小”)是有限的。如果将 reverse 视为一个基本操作,则旋转数组这个问题只需要考虑三个操作之间的组合关系。而如果 reverse 要看成若干个操作的组合,大脑中的工作台就放不下这么多操作,也就很可能想不出问题的答案。
上面的题解代码中也是遵循“基本操作”的原理,将 reverse
写为单独的函数,这样核心的代码就只有三行了。实际上,如果是熟悉 C++ 的人,会知道 C++ 中就有现成的反转数组操作 std::reverse
,用这个写出来的题解代码非常简洁:
void rotate(vector<int>& nums, int k) {
k %= nums.size();
reverse(nums.begin(), nums.end());
reverse(nums.begin(), nums.begin() + k);
reverse(nums.begin() + k, nums.end());
}
没错,如果说在其他语言中,reverse 还只是一种思路上的基本操作的话,在 C++ 中,reverse 已经是一种语言上的基本操作。这更能体现基本操作是如何减轻思维上的负担的。当然,我不是在宣扬 C++ 有多好,不过多接触不同的语言确实是有好处的,有时候能跳出当前语言的一些局限性,避免让语言的局限成为思维上的束缚。
像 reverse 这样的基本操作还可以有很多:
- 在有序数组中搜索一个数,需要 $O(\log n)$ 的时间(二分搜索)
- 在数组中以一个枢纽元素为基准划分为大小两半,需要 $O(n)$ 的时间(快速排序的 partition 步骤)
除此之外,我们学习过的堆、平衡二叉搜索树、散列表的各项时间、空间复杂度,都是基本操作的例子,它们不仅对分析算法的复杂度有帮助,更在我们设计算法的时候起到重要的作用。
reverse 操作的更多应用
旋转数组有一道推广题目,反转单词: LeetCode 151 - Reverse Words in a String(Medium)
将字符串中的单词顺序进行反转。例如:
-
输入:"the sky is blue"
-
输出:"blue is sky the"
如果你刚刚做过反转数组,那么应该能够轻松想出这道题的思路。这道题的解法思路其实和旋转数组是相同的:先做整体的反转,再做每个单词的反转。过程如下图所示。
另外,reverse 操作还可以用在一些字符串和数字转化的题目中。例如:
-
LeetCode 415 - Add Strings(Easy)
计算两个字符串形式的非负整数的和。
-
LeetCode 504 - Base 7(Easy)
给定一个整数,将其转化为7进制,并以字符串形式输出。
无论是做加法还是进制转换,都是先计算结果的低位数字,再到高位数字。而输出的是字符串形式,这意味着要不断在字符串的开头插入字符,时间开销很大。
一种解决方法是使用数组或栈来临时保存结果的每一位数字,最后再输出成字符串。当然还有另一个更简单的方法:直接输出一个“反着的”结果字符串,最后再将字符串反转即可。
总结
《编程珠玑》第 2.3 章中讲到了同样的旋转数组问题。本篇的标题“基本操作的威力”正是使用了书中的标题。书中提到了一个实际的例子:文本编辑器中“行的移动”的操作,实际上就是数组的旋转。使用 reverse 操作实现的代码,一次就可以正确运行,而基于链表的代码则有几个 bug。这是本文中没有提到的、基本操作的另外一个例子:更容易实现。
“容易想出解题思路”和“容易写出实现代码”其实是相辅相成的。因为代码实际上就是思路在纸上的落实。我们在面试中,需要锻炼这种能在有限时间内写出正确的、bug-free 代码的能力。所以我们在做题的时候,需要重点掌握的不是那些最快速、最花哨的解法,而是思路最清晰、代码最简洁的解法。
本篇文章以 reverse 为例讲述了基本操作的重要作用,希望你能在做题的过程中总结出更多的基本操作。下篇文章是姊妹篇,将介绍“基本数据结构”的作用,敬请期待。
本期例题: LeetCode 189 - Rotate Array(Easy)
给定一个数组,将数组中的元素向右移动 k 个位置,其中 k 是非负数。
旋转数组是一道非常经典的题目,也是一个典型的“看过答案才恍然大悟”的题目。在准备面试的时候,这道题目是不可不知的。
你也许已经知道这道题的解法,也许一无所知。不过,本篇文章的重点不是讲解这道题。题目本身的答案不重要,重要的是能够分析其背后的原理,举一反三。本文将分析这个题目如何由基本操作得来,以及基本操作的为例。
这篇文章将会包含:
- 本期例题的多种解法
- reverse 操作的多种应用
- 何为基本操作
- 相关题目与参考资料
旋转数组问题的解法
下面将展示旋转数组的三种不同的解法。
解法1:使用额外空间
这是最普通的一种解法。我们可以使用一个辅助数组存储原数组末尾的 k 个数字,然后再移动剩下的数字。数字移动的过程如下所示。
这种解法的时间复杂度是 $O(n)$,空间复杂度是 $O(k)$。很显然,它使用了额外的空间,还可以进一步优化。
解法2:环状替换
有些人首先想到的是这个思路。我们可以轻松推出每个数字最后应该在的位置,那么就可以一个一个地把它们放到正确的位置上。以 $n=7$、$k=2$ 为例,移动的顺序是:1 ➝ 3 ➝ 5 ➝ 7 ➝ 2 ➝ 4 ➝ 6 ➝ 1。如下图所示,所有的箭头构成了一个环。
那么我们的替换方法是:先用临时变量保存 1,将 6 放到 1 处,再将 4 放到 6 处…… 以此类推,最后将 1 放到 3 处。
不过,这种解法的正确性不容易证明。实际上,当 $n$ 是 $k$ 的倍数时,上面的这种替换方法并不成立。如下图所示,当 $n=8$、$k=2$ 时,实际上存在两个环:
- 1 ➝ 3 ➝ 5 ➝ 7 ➝ 1
- 2 ➝ 4 ➝ 6 ➝ 8 ➝ 2
如果从 1 出发,将只能替换 1、3、5、7 四个数,还需要再从 2 出发一遍。可见这种思路在实现上也比较麻烦。虽然这种方法达到了 $O(n)$ 的时间复杂度和 $O(1)$ 的空间复杂度,但是由于证明和实现上的复杂,并不推荐。
解法3:reverse 操作
可能你已经知道了 reverse 操作的解法,如果你还不知道的话,那么这个解法会让你恍然大悟,就像 Two Sum 问题的那个双指针解法一样。先将整个数组反转,再将数组的前后两半(前 k 个数和后 k 个数)分别反转,就可以实现数组的旋转了。
三次反转(reverse)操作的过程如下图所示:
相应的代码如下,非常简单明了。这个解法容易理解、容易证明、容易记忆,又能达到最好的 $O(n)$ 时间、$O(1)$ 空间,可以说是最完美的解法。
public void rotate(int[] nums, int k) {
int N = nums.length;
k %= N;
reverse(nums, 0, N);
reverse(nums, 0, k);
reverse(nums, k, N);
}
void reverse(int[] nums, int begin, int end) {
for (int i = begin, j = end - 1; i < j; i++, j--) {
int temp = nums[i];
nums[i] = nums[j];
nums[j] = temp;
}
}
基本操作的威力
这个三次 reverse 的解法,确实巧妙而有效,但是,如何能自己想出这个解法呢?似乎除了“见多识广”之外,并没有更好的方法。当然,还有一种方法是对 reverse 这样的基本操作十分熟悉。这道题我们的目标是达到 $O(n)$ 的时间复杂度,$O(1)$ 的空间复杂度。而如果我们对 reverse 操作熟悉,知道它同样是 $O(n)$ 时间、$O(1)$ 空间的操作,就可以思考能否用 reverse 做到。
如果直接让你写一段反转数组的代码,那么每个人都可以轻松写出,然后分析它的时间空间复杂度。但是如果我们没有把反转数组视为一个基本操作,就无法举一反三,应用到其他题目中。
心理学家曾研究过, 人的短期记忆长度大约为 7 个单位。通俗地说,我们思考问题时的“工作台”(或者比喻为“缓存大小”)是有限的。如果将 reverse 视为一个基本操作,则旋转数组这个问题只需要考虑三个操作之间的组合关系。而如果 reverse 要看成若干个操作的组合,大脑中的工作台就放不下这么多操作,也就很可能想不出问题的答案。
上面的题解代码中也是遵循“基本操作”的原理,将 reverse
写为单独的函数,这样核心的代码就只有三行了。实际上,如果是熟悉 C++ 的人,会知道 C++ 中就有现成的反转数组操作 std::reverse
,用这个写出来的题解代码非常简洁:
void rotate(vector<int>& nums, int k) {
k %= nums.size();
reverse(nums.begin(), nums.end());
reverse(nums.begin(), nums.begin() + k);
reverse(nums.begin() + k, nums.end());
}
没错,如果说在其他语言中,reverse 还只是一种思路上的基本操作的话,在 C++ 中,reverse 已经是一种语言上的基本操作。这更能体现基本操作是如何减轻思维上的负担的。当然,我不是在宣扬 C++ 有多好,不过多接触不同的语言确实是有好处的,有时候能跳出当前语言的一些局限性,避免让语言的局限成为思维上的束缚。
像 reverse 这样的基本操作还可以有很多:
- 在有序数组中搜索一个数,需要 $O(\log n)$ 的时间(二分搜索)
- 在数组中以一个枢纽元素为基准划分为大小两半,需要 $O(n)$ 的时间(快速排序的 partition 步骤)
除此之外,我们学习过的堆、平衡二叉搜索树、散列表的各项时间、空间复杂度,都是基本操作的例子,它们不仅对分析算法的复杂度有帮助,更在我们设计算法的时候起到重要的作用。
reverse 操作的更多应用
旋转数组有一道推广题目,反转单词: LeetCode 151 - Reverse Words in a String(Medium)
将字符串中的单词顺序进行反转。例如:
-
输入:"the sky is blue"
-
输出:"blue is sky the"
如果你刚刚做过反转数组,那么应该能够轻松想出这道题的思路。这道题的解法思路其实和旋转数组是相同的:先做整体的反转,再做每个单词的反转。过程如下图所示。
另外,reverse 操作还可以用在一些字符串和数字转化的题目中。例如:
-
LeetCode 415 - Add Strings(Easy)
计算两个字符串形式的非负整数的和。
-
LeetCode 504 - Base 7(Easy)
给定一个整数,将其转化为7进制,并以字符串形式输出。
无论是做加法还是进制转换,都是先计算结果的低位数字,再到高位数字。而输出的是字符串形式,这意味着要不断在字符串的开头插入字符,时间开销很大。
一种解决方法是使用数组或栈来临时保存结果的每一位数字,最后再输出成字符串。当然还有另一个更简单的方法:直接输出一个“反着的”结果字符串,最后再将字符串反转即可。
总结
《编程珠玑》第 2.3 章中讲到了同样的旋转数组问题。本篇的标题“基本操作的威力”正是使用了书中的标题。书中提到了一个实际的例子:文本编辑器中“行的移动”的操作,实际上就是数组的旋转。使用 reverse 操作实现的代码,一次就可以正确运行,而基于链表的代码则有几个 bug。这是本文中没有提到的、基本操作的另外一个例子:更容易实现。
“容易想出解题思路”和“容易写出实现代码”其实是相辅相成的。因为代码实际上就是思路在纸上的落实。我们在面试中,需要锻炼这种能在有限时间内写出正确的、bug-free 代码的能力。所以我们在做题的时候,需要重点掌握的不是那些最快速、最花哨的解法,而是思路最清晰、代码最简洁的解法。
本篇文章以 reverse 为例讲述了基本操作的重要作用,希望你能在做题的过程中总结出更多的基本操作。下篇文章是姊妹篇,将介绍“基本数据结构”的作用,敬请期待。