189. Rotate Array(三步旋转法)

本文详细介绍了如何使用三步旋转法解决数组元素向右移动k个位置的问题,通过具体实例展示了算法的实现过程,并提供了Java代码实现。

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Rotate Array

【题目】

Given an array, rotate the array to the right by k steps, where k is non-negative.

(翻译:给定一个数组,将数组中的元素向右移动 个位置,其中 是非负数。)

Example 1:

Input: [1,2,3,4,5,6,7] and k = 3
Output: [5,6,7,1,2,3,4]
Explanation:
rotate 1 steps to the right: [7,1,2,3,4,5,6]
rotate 2 steps to the right: [6,7,1,2,3,4,5]
rotate 3 steps to the right: [5,6,7,1,2,3,4]

Example 2:

Input: [-1,-100,3,99] and k = 2
Output: [3,99,-1,-100]
Explanation: 
rotate 1 steps to the right: [99,-1,-100,3]
rotate 2 steps to the right: [3,99,-1,-100]

 

【分析】

采用经典的三步旋转法:

  1. 将整个数组 (array) 的元素前后颠倒得到array1(即:index: 0 与 index: array.length - 1)
  2. 将array1的前k个元素前后颠倒得到array2(即:index: 0 与 index: k -1)
  3. 将array2的后n - k(n为数组元素个数)个元素前后颠倒得到array3,即最终结果

Java代码实现如下:

class Solution {
    public void rotate(int[] nums, int k) {
        k %= nums.length;
        reverse(nums, 0, nums.length - 1);
        reverse(nums, 0, k - 1);
        reverse(nums, k, nums.length - 1);
    }
    public void reverse(int[] nums, int start, int end) {
        while (start < end) {
            int temp = nums[start];
            nums[start] = nums[end];
            nums[end] = temp;
            start++;
            end--;
        }
    }
}

 

### 计算三维旋转矩阵 三维旋转矩阵是一种用于描述物体在三维空间中的方向变化的工具。它通常是一个 \(3 \times 3\) 的正交矩阵,满足行列式的值为1。以下是关于其公式的理论基础以及其实现方法。 #### 数学定义 一个标准的三维旋转矩阵可以表示为: \[ R = \begin{bmatrix} r_{11} & r_{12} & r_{13} \\ r_{21} & r_{22} & r_{23} \\ r_{31} & r_{32} & r_{33} \end{bmatrix}, \] 其中每一列代表旋转后的坐标轴单位向量[^4]。为了构建这样的矩阵,常用的方法包括欧拉角法、四元数转换法和罗德里格斯公式法。 #### 使用欧拉角计算 通过三个连续的角度绕不同轴旋转来得到最终姿态。假设依次按Z-X'-Y''顺序分别转α度、β度、γ度,则总变换可由下面乘积给出: \[ R_z(\alpha) R_x(\beta) R_y(\gamma), \] 这里, \[ R_z(\alpha)= \begin{bmatrix} cos(\alpha)&-sin(\alpha)&0\\ sin(\alpha)& cos(\alpha)&0\\ 0&0&1 \end{bmatrix}; R_x(\beta)= \begin{bmatrix} 1&0&0\\ 0&cos(\beta)&-sin(\beta)\\ 0&sin(\beta)& cos(\beta) \end{bmatrix}; R_y(\gamma)= \begin{bmatrix} cos(\gamma)&0& sin(\gamma)\\ 0&1&0\\ -sin(\gamma)&0& cos(\gamma) \end{bmatrix}. \][^5] #### 利用Rodrigues' Rotation Formula (罗德里格斯公式) 如果已知旋转轴\(k=[k_x,k_y,k_z]^T\) 和角度θ,那么对应的旋转矩阵可通过下述方式获得: \[ R=I+sin(\theta)[K]+(1-cos(\theta))[K]^2, \] 这里的\[K]\ 是反对称形式的交叉乘积矩阵: \[ [K]= \begin{bmatrix} 0&-k_z& k_y\\ k_z&0&-k_x\\ -k_y&k_x&0 \end{bmatrix}. \][^6] #### Python 实现例子 下面是基于上述原理的一个简单Python实现案例: ```python import numpy as np def rodrigues_rotation(axis, theta): """ Compute the rotation matrix using Rodrigues' formula. Parameters: axis : array_like A unit vector representing the axis of rotation. theta : float Angle of counterclockwise rotation about the defined axis in radians. Returns: ndarray shape=(3,3), dtype=float The resulting rotation matrix. """ k = np.array(axis).astype(float) I = np.identity(3) K = np.array([ [0, -k[2], k[1]], [k[2], 0, -k[0]], [-k[1], k[0], 0]]) R = I + np.sin(theta)*K + (1-np.cos(theta))*(np.dot(K,K)) return R axis_of_rot = [0., 0., 1.] # Example: Rotate around Z-axis angle_rad = np.pi / 2 # Pi/2 radian or 90 degrees rotation_matrix = rodrigues_rotation(axis_of_rot, angle_rad) print(rotation_matrix) ```
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