Leetcode(435)——无重叠区间
题目
给定一个区间的集合 intervals ,其中 intervals[i] = [starti, endi] 。返回 需要移除区间的最小数量,使剩余区间互不重叠 。
示例 1:
输入: intervals = [[1,2],[2,3],[3,4],[1,3]]
输出: 1
解释: 移除 [1,3] 后,剩下的区间没有重叠。
示例 2:
输入: intervals = [ [1,2], [1,2], [1,2] ]
输出: 2
解释: 你需要移除两个 [1,2] 来使剩下的区间没有重叠。
示例 3:
输入: intervals = [ [1,2], [2,3] ]
输出: 0
解释: 你不需要移除任何区间,因为它们已经是无重叠的了。
提示:
- 111 <= intervals.length <= 10510^5105
- intervals[i].length == 222
- −5∗104-5 * 10^4−5∗104 <= starti < endi <= 5∗1045 * 10^45∗104
题解
方法一:贪心算法
思路
我们不妨想一想应该选择哪一个区间作为首个区间。
假设在某一种 最优 的选择方法中,[lk,rk][l_k, r_k][lk,rk] 是首个(即最左侧的)区间,那么它的左侧没有其它区间,右侧有若干个不重叠的区间。设想一下,如果此时存在一个区间 [lj,rj][l_j, r_j][lj,rj],使得 rj<rkr_j < r_krj<rk,即区间 jjj 的右端点在区间 kkk 的左侧,那么我们将区间 kkk 替换为区间 jjj,其与剩余右侧被选择的区间仍然是不重叠的。而当我们将区间 kkk 替换为区间 jjj 后,就得到了另一种 最优 的选择方法。
我们可以不断地寻找右端点在首个区间右端点左侧的新区间,将首个区间替换成该区间。那么当我们无法替换时,首个区间就是所有可以选择的区间中右端点最小的那个区间。因此我们将所有区间按照右端点从小到大进行排序,那么排完序之后的首个区间,就是我们选择的首个区间。
在选择首个区间时,如果有多个区间的右端点都同样最小怎么办? 由于我们选择的是首个区间,因此在它的左侧不会有其它的区间,那么左端点在何处是不重要的,我们只要任意选择一个右端点最小的区间即可。
当确定了首个区间之后,所有与首个区间不重合的区间就组成了一个规模更小的子问题。由于我们已经在初始时将所有区间按照右端点排好序了,因此对于这个子问题,我们无需再次进行排序,只要找出其中与首个区间不重合并且右端点最小的区间即可。用相同的方法,我们可以依次确定后续的所有区间。
在实际的代码编写中,我们对按照右端点排好序的区间进行遍历,并且实时维护上一个选择区间的右端点 right\textit{right}right。如果当前遍历到的区间 [li,ri][l_i, r_i][li,ri] 与上一个区间不重合,即 li≥rightl_i \geq \textit{right}li≥right,那么我们就可以贪心地选择这个区间,并将 right\textit{right}right 更新为 rir_iri。
代码实现
class Solution {
public:
int eraseOverlapIntervals(vector<vector<int>>& intervals) {
if(intervals.empty()) return 0;
int n = intervals.size();
sort(intervals.begin(), intervals.end(),
[](vector<int>& a, vector<int>& b){return a[1] < b[1];});
int total = 0, prev = intervals[0][1];
for(int i = 1; i < n; ++i) {
if(intervals[i][0] < prev) ++total;
else prev = intervals[i][1];
}
return total;
}
};
复杂度分析
时间复杂度:O(nlogn)O(n \log n)O(nlogn),其中 nnn 是区间的数量。我们需要 O(nlogn)O(n \log n)O(nlogn) 的时间对所有的区间按照右端点进行升序排序,并且需要 O(n)O(n)O(n) 的时间进行遍历。由于前者在渐进意义下大于后者,因此总时间复杂度为 O(nlogn)O(n \log n)O(nlogn)。
空间复杂度:O(logn)O(logn)O(logn),即为排序需要使用的栈空间。
方法二:动态规划
思路
因为题目的要求等价于「选出最多数量的区间,使得它们互不重叠」。由于选出的区间互不重叠,因此我们可以将它们按照端点从小到大的顺序进行排序,并且无论我们按照左端点还是右端点进行排序,得到的结果都是唯一的。
这样一来,我们可以先将所有的 nnn 个区间按照左端点(或者右端点)从小到大进行排序,随后使用动态规划的方法求出区间数量的最大值。设排完序后这 nnn 个区间的左右端点分别为 l0,⋯ ,ln−1l_0, \cdots, l_{n-1}l0,⋯,ln−1 以及 r0,⋯ ,rn−1r_0, \cdots, r_{n-1}r0,⋯,rn−1,那么我们令 fif_ifi 表示「从区间 000 到区间 iii 的这些区间中,在最后一个区间为 iii 的情况下,可以选出最多的无重叠的区间的数量」,状态转移方程即为:
fi=maxj<i ∧ rj≤li{fj}+1
f_i = \max_{j < i ~\wedge~ r_j \leq l_i} \{ f_j \} + 1
fi=j<i ∧ rj≤limax{fj}+1
即我们枚举倒数第二个区间的编号 jjj,满足 j<ij < ij<i,并且第 jjj 个区间必须要与第 iii 个区间不重叠。由于我们已经按照左端点进行升序排序了,因此只要第 jjj 个区间的右端点 rjr_jrj 没有越过第 iii 个区间的左端点 lil_ili,即 rj≤lir_j \leq l_irj≤li,那么第 jjj 个区间就与第 iii 个区间不重叠。我们在所有满足要求的 jjj 中,选择 fjf_jfj 最大的那一个进行状态转移,如果找不到满足要求的区间,那么状态转移方程中 max\maxmax 这一项就为 000,fif_ifi 就为 111。
最终的答案即为所有 fif_ifi 中的最大值。
代码实现
class Solution {
public:
int eraseOverlapIntervals(vector<vector<int>>& intervals) {
if (intervals.empty()) {
return 0;
}
sort(intervals.begin(), intervals.end(), [](const auto& u, const auto& v) {
return u[0] < v[0];
});
int n = intervals.size();
vector<int> f(n, 1);
for (int i = 1; i < n; ++i) {
for (int j = 0; j < i; ++j) {
if (intervals[j][1] <= intervals[i][0]) {
f[i] = max(f[i], f[j] + 1);
}
}
}
return n - *max_element(f.begin(), f.end());
}
};
复杂度分析
时间复杂度:O(n2)O(n^2)O(n2),其中 nnn 是区间的数量。我们需要 O(nlogn)O(n \log n)O(nlogn) 的时间对所有的区间按照左端点进行升序排序,并且需要 O(n2)O(n^2)O(n2) 的时间进行动态规划。由于前者在渐进意义下小于后者,因此总时间复杂度为 O(n2)O(n^2)O(n2)。
注意到方法二本质上是一个「最长上升子序列」问题,因此我们可以将时间复杂度优化至 O(nlogn)O(n \log n)O(nlogn),具体可以参考「300. 最长递增子序列的官方题解」。
空间复杂度:O(n)O(n)O(n),即为存储所有状态 fif_ifi 需要的空间。
本文详细介绍了如何解决LeetCode上的435题——无重叠区间。通过两种方法,贪心算法和动态规划,分别解析了解题思路和代码实现,并分析了各自的复杂度。贪心算法通过选取右端点最小的区间,动态规划则通过状态转移找到最多无重叠区间。
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