长度最小的子数组(前缀和+二分 、滑动窗口)

一、题目

给定一个含有 n 个正整数的数组和一个正整数 target 。

找出该数组中满足其和 ≥ target 的长度最小的 连续子数组 [numsl, numsl+1, …, numsr-1, numsr] ,并返回其长度。如果不存在符合条件的子数组,返回 0 。

示例 1:

输入:target = 7, nums = [2,3,1,2,4,3]
输出:2
解释:子数组 [4,3] 是该条件下的长度最小的子数组。
示例 2:

输入:target = 4, nums = [1,4,4]
输出:1
示例 3:

输入:target = 11, nums = [1,1,1,1,1,1,1,1]
输出:0

提示:

1 <= target <= 109
1 <= nums.length <= 105
1 <= nums[i] <= 105

进阶:

如果你已经实现 O(n) 时间复杂度的解法, 请尝试设计一个 O(n log(n)) 时间复杂度的解法。
链接:https://leetcode-cn.com/problems/minimum-size-subarray-sum

二、思路

暴力解法o(n2)

    public int minSubArrayLen(int target, int[] nums) {
        int minLen = Integer.MAX_VALUE;
        for (int i = 0; i < nums.length; i++){
            int sum = 0;
            for (int j = i; j < nums.length;j++){
                sum += nums[j];
                if (sum >= target){
                    minLen = Math.min(minLen,j - i + 1);
                }
            }
        }
        return minLen == Integer.MAX_VALUE ? 0 : minLen;
    }

**前缀和+二分(nlogn)**以空间换时间

    public static int minSubArrayLen1(int target, int[] nums) {
        int n = nums.length;
        int[] preSum = new int[n + 1];
        preSum[0] = 0;
        for (int i = 1; i < n + 1; i++){
            preSum[i] = preSum[i - 1] + nums[i - 1];
        }
        int minLen = Integer.MAX_VALUE;
        //preSum[j] - preSum[i] >= target意味着j到 i + 1的子数组之和
        // preSum[i] + target <= preSum[j] ,只要满足 preSum[i] + target 能在preSum中存在或者小于preSum数组的某一元素,
        // 则必存在最小子数组和>=target
        for (int i = 1; i < n + 1; i++){
            //preSum[j] - preSum[i] >= target意味着j到 i + 1的子数组之和=>从下标0开始
            int key = preSum[i - 1] + target;
            int index = Arrays.binarySearch(preSum, key);
            if (index < 0){
                index = -index - 1;
            }
            //>n 是查询不到取法得来的,不符合要求
            if (index <= n){
                minLen = Math.min(minLen,index - i + 1);
            }

        }
        return minLen == Integer.MAX_VALUE ? 0 : minLen;
    }

滑动窗口

    /**
     * 滑动窗口时间复杂度 o(n) 收缩都是左侧收缩
     * @param target
     * @param nums
     * @return
     */
    public static int minSubArrayLen3(int target, int[] nums) {
        int n = nums.length;
        int left = 0;
        int right = 0;
        int sum = 0;
        int minLen = Integer.MAX_VALUE;
        while (right < n){
            sum += nums[right];
            //收缩窗口
            while (sum >= target){
                minLen = Math.min(minLen,right - left + 1);
                sum -= nums[left];
                left++;
            }
            right++;

        }
        return minLen == Integer.MAX_VALUE ? 0 : minLen;
    }
<think>好的,我需要回答用户关于前缀和算法滑动窗口算法的概念、应用场景及示例的问题。首先,我得确保自己正确理解这两个算法,然后结合用户提供的引用内容来组织答案。 用户提到了几个引用,其中引用[1]-[5]主要关于前缀和算法。我需要先整理前缀和的基本概念、数学原理,以及一维和二维的实现。然后是关于滑动窗口的部分,可能需要结合其他知识,因为用户提供的引用中没有直接提到滑动窗口,但根据我的知识,滑动窗口常用于处理子数组/子字符串问题,比如最大子数组和、最小覆盖子串等。 首先,前缀和算法。根据引用[1],前缀和的数学基础是累加和,通过预处理数组生成前缀和数组,从而快速计算区间和。一维前缀和的公式是$S[i] = S[i-1] + a[i]$,其中S是前缀和数组,a是原数组。这可以快速计算区间和,比如计算区间[l, r]的和,可以用$S[r] - S[l-1]$。这样可以优化时间复杂度,从O(n*m)降到O(n + m),当有大量区间查询时效率更高。 然后,应用场景方面,引用[3]提到前缀和用于高效计算区间和,引用[2]和[4]展示了如何用Python、Go、Java等实现。比如子数组和的问题,或者二维矩阵中的区域求和。例如,LeetCode中的题目如560. 和为K的子数组,可以用前缀和配合哈希表解决。 接下来是滑动窗口算法。这部分用户没有提供引用,我需要依靠自己的知识。滑动窗口通常用于解决数组/字符串中的连续子序列问题,特别是涉及最优化问题,如最大或最小子数组长度。其核心是维护一个窗口,通过调整左右指针来滑动窗口,满足特定条件。时间复杂度通常是O(n),因为每个元素最多被访问两次。 应用场景包括:寻找最长无重复子串(LeetCode 3),最小覆盖子串(LeetCode 76),最大子数组和(LeetCode 53)等。例如,最大子数组和问题可以用滑动窗口或动态规划解决,但滑动窗口在特定条件下更高效。 然后需要比较两者的使用场景。前缀和适合处理区间和的查询,尤其是多次查询的情况,或者需要快速计算任意区间和的场景。滑动窗口则适合处理需要维护一个连续区间的问题,特别是寻找满足某些条件的最长子数组或最短覆盖等情况。 示例部分,我需要给出每个算法的具体代码示例。前缀和的Python实现如引用[2]中的例子,而滑动窗口可能需要举一个经典问题,比如求无重复字符的最长子串。 最后,生成相关问题,可能需要包括两者的对比,各自优化方法,具体应用案例等。 在回答时要注意结构清晰,分点说明概念、数学原理、应用场景和示例。同时,引用提供的资料,比如引用[1]到[5]中的相关内容,确保引用标记正确。 现在开始组织内容: 第一部分,前缀和算法。先介绍概念和数学表达式,如$S[i] = S[i-1] + a[i]$,然后应用场景如多次区间查询,子数组和为k的问题。引用[1][2][3][4]中的内容,说明其优势。给出一个一维数组的示例代码,如计算区间和。 第二部分,滑动窗口算法。介绍概念,左右指针维护窗口,满足条件时调整窗口大小。数学上可能需要维护窗口内的某些统计量,比如和、唯一字符数等。应用场景如最长无重复子串,最小覆盖子串。给出示例代码,比如最长无重复子串的实现。 第三部分,比较两者的使用场景。前缀和适合非连续或多次查询,滑动窗口适合连续且需要最优解的情况。可能结合问题类型分析,比如子数组和是否允许负数影响算法选择。 最后,相关问题可能涉及两者区别,如何选择,具体问题如何应用,优化方法等。 需要确保LaTeX格式正确,行内公式用$...$,独立公式用$$...$$,并且代码块用正确语法。检查是否有错误,比如公式是否正确,引用是否恰当。</think>### 前缀和算法滑动窗口算法详解 --- #### 一、前缀和算法 **概念** 前缀和算法通过预处理数组生成一个累积和数组(即前缀和数组),用于快速计算任意区间的和。其数学基础为: $$S[i] = \sum_{k=0}^{i} a[k] = S[i-1] + a[i]$$ 其中 $a$ 是原数组,$S$ 是前缀和数组。通过 $S[r] - S[l-1]$ 可快速得到区间 $[l, r]$ 的和[^1][^3]。 **应用场景** 1. **多次区间和查询**:如多次计算数组的某段区间和(时间复杂度从 $O(n \cdot m)$ 优化为 $O(n + m)$)[^3]。 2. **子数组和为定值**:例如寻找和为 $k$ 的连续子数组数量(LeetCode 560)[^5]。 3. **二维矩阵区域和**:通过二维前缀和快速计算矩形区域的元素和(LeetCode 304)。 **示例代码** 计算一维数组区间和的 Python 实现: ```python class PrefixSum1D: def __init__(self, nums): self.prefix = [0] * (len(nums) + 1) for i in range(len(nums)): self.prefix[i+1] = self.prefix[i] + nums[i] def query(self, l, r): return self.prefix[r+1] - self.prefix[l] ``` --- #### 二、滑动窗口算法 **概念** 滑动窗口算法通过维护一个动态窗口(由左右指针定义),在满足特定条件时调整窗口大小,从而高效解决连续子序列问题。其核心思想是避免重复计算,时间复杂度通常为 $O(n)$。 **应用场景** 1. **最长无重复子串**:寻找字符串中不重复字符的最长子串(LeetCode 3)。 2. **最小覆盖子串**:找到覆盖目标字符的最短连续子串(LeetCode 76)。 3. **最大子数组和**:求连续子数组的最大和(LeetCode 53)。 **示例代码** 寻找最长无重复子串的 Python 实现: ```python def length_of_longest_substring(s: str) -> int: window = {} # 记录字符最后出现的位置 left = 0 max_len = 0 for right, char in enumerate(s): if char in window and window[char] >= left: left = window[char] + 1 # 左指针右移 window[char] = right max_len = max(max_len, right - left + 1) return max_len ``` --- #### 三、算法对比与选择 | **算法** | **前缀和** | **滑动窗口** | |----------------|-----------------------------------|---------------------------------| | **核心思想** | 预处理数组加速区间查询 | 动态调整窗口大小优化遍历过程 | | **适用条件** | 需要频繁计算任意区间和或子数组问题 | 需要维护连续区间的最优解问题 | | **时间复杂度** | 预处理 $O(n)$,查询 $O(1)$ | 通常 $O(n)$ | | **典型问题** | 和为k的子数组、二维区域和检索 | 最长无重复子串、最小覆盖子串 | --- #### 四、选择建议 1. **前缀和**:当问题涉及多次区间和查询,或需要将子数组和转化为前缀和差值问题时优先使用。 2. **滑动窗口**:当问题要求连续区间的最值(如最长、最短)且数据无负数干扰时适用[^2]。 ---
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