04: Median of Two Sorted Arrays

本文介绍了一种高效算法,用于计算两个已排序数组的中位数。通过三种不同的实现方式,包括直接合并、改进遍历及二分查找,详细探讨了各自的优缺点。最终,实现了O(log(m+n))的时间复杂度。

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Median of Two Sorted Arrays

Given two sorted arrays nums1 and nums2 of size m and n respectively, return the median of the two sorted arrays.

Example 1:

Input: nums1 = [1,3], nums2 = [2]
Output: 2.00000
Explanation: merged array = [1,2,3] and median is 2.

Example 2:

Input: nums1 = [1,2], nums2 = [3,4]
Output: 2.50000
Explanation: merged array = [1,2,3,4] and median is (2 + 3) / 2 = 2.5.

Example 3:

Input: nums1 = [0,0], nums2 = [0,0]
Output: 0.00000

Example 4:

Input: nums1 = [], nums2 = [1]
Output: 1.00000

Example 5:

Input: nums1 = [2], nums2 = []
Output: 2.00000

Constraints:

nums1.length == m
nums2.length == n
0 <= m <= 1000
0 <= n <= 1000
1 <= m + n <= 2000
-106 <= nums1[i], nums2[i] <= 106

Solution

假设给定数组A、B,已排序。

  1. 合并A、B,生成C,中位数就是C数组中间的数
public double findMedianSortedArrays(int[] nums1, int[] nums2) {
    int[] nums;
    int m = nums1.length;
    int n = nums2.length;
    nums = new int[m + n];
    if (m == 0) {
        if (n % 2 == 0) {
            return (nums2[n / 2 - 1] + nums2[n / 2]) / 2.0;
        } else {

            return nums2[n / 2];
        }
    }
    if (n == 0) {
        if (m % 2 == 0) {
            return (nums1[m / 2 - 1] + nums1[m / 2]) / 2.0;
        } else {
            return nums1[m / 2];
        }
    }

    int count = 0;
    int i = 0, j = 0;
    while (count != (m + n)) {
        if (i == m) {
            while (j != n) {
                nums[count++] = nums2[j++];
            }
            break;
        }
        if (j == n) {
            while (i != m) {
                nums[count++] = nums1[i++];
            }
            break;
        }

        if (nums1[i] < nums2[j]) {
            nums[count++] = nums1[i++];
        } else {
            nums[count++] = nums2[j++];
        }
    }

    if (count % 2 == 0) {
        return (nums[count / 2 - 1] + nums[count / 2]) / 2.0;
    } else {
        return nums[count / 2];
    }
}
/**
* 时间复杂度:遍历全部数组 O(m+n)
* 空间复杂度:开辟了一个数组,保存合并后的两个数组 O(m+n)
*/
  1. 无需合并,已知A、B,那么就知道了合成数组的总长度len,那么中位数的位置也就知道了。此时有两种情况

    • len为偶数,那么只需找到合成数组的第len/2 和 第len/2 + 1个元素的值的平均值
    • len为奇数,那么只需找到合成数组的第len/2 个元素值

    维护两个指针p, q,遍历A、B即可。分别从小到大遍历数组直到指定位置

    public double findMedianSortedArrays(int[] A, int[] B) {
        int m = A.length;
        int n = B.length;
        int len = m + n;
        int p = -1, q = -1;
        int aStart = 0, bStart = 0;
        for (int i = 0; i <= len / 2; i++) {
            p = q;
            if (aStart < m && (bStart >= n || A[aStart] < B[bStart])) {
                q = A[aStart++];
            } else {
                p = B[bStart++];
            }
        }
        if ((len & 1) == 0)
            return (p + q) / 2.0;
        else
            return right;
    }
    /**
    * 时间复杂度:遍历全部数组 O(m+n)
    * 空间复杂度:开辟了一个数组,保存合并后的两个数组 O(1)
    */
    
  2. 二分

    以上方法的时间复杂度都是o(m + n),如何将时间复杂度降低至O(log(m + n))呢?看到log条件反射二分法

    由上一个解法我们一直,求两个数组的中位数可以分解为找第len/2的元素或者第len/2 和 第len/2 + 1个元素。那么问题就变成了找第k个小的问题了。

    第k小问题 我们一般使用分治的思路(快排的思路),此题也同样使用这个思路。

    analysis

    我们可以比较 A[k/2-1]和 B[k/2−1]。由于 A[k/2−1] 和 B[k/2−1] 的前面分别有 A[0…k/2−2] 和 B[0…k/2−2],即k/2−1 个元素,对于 A[k/2−1] 和 B[k/2−1] 中的较小值,最多只会有(k/2−1)+(k/2−1)≤k−2 个元素比它小,那么它就不能是第 k 小的数了。

    因此我们可以归纳出三种情况:

    • 如果 A[k/2−1]<B[k/2−1],则比A[k/2−1] 小的数最多只有A 的前k/2−1 个数和 B 的前k/2−1 个数,即比 A[k/2−1] 小的数最多只有 k−2 个,因此A[k/2−1] 不可能是第 k 个数,A[0] 到 A[k/2−1] 也都不可能是第 k 个数,可以全部排除。

    • 如果 A[k/2−1]>B[k/2−1],则可以排除B[0] 到B[k/2−1]。

    • 如果 A[k/2−1]=B[k/2−1],可以归入第一种情况处理。

    可以看到,比较 A[k/2−1] 和 B[k/2−1] 之后,可以排除k/2 个不可能是第 k 小的数,查找范围缩小了一半。同时,我们将在排除后的新数组上继续进行二分查找,并且根据我们排除数的个数,减少 k 的值,这是因为我们排除的数都不大于第 k 小的数。

    有以下三种情况需要特殊处理:

    • 如果 A[k/2−1] 或者 B[k/2−1] 越界,那么我们可以选取对应数组中的最后一个元素。在这种情况下,我们必须根据排除数的个数减少 k 的值,而不能直接将 k 减去 k/2。

    • 如果一个数组为空,说明该数组中的所有元素都被排除,我们可以直接返回另一个数组中第 k 小的元素。

    • 如果 k=1(最小的数),我们只要返回两个数组首元素的最小值即可。

用一个例子说明上述算法。假设两个有序数组如下:

A: 1 3 4 9
B: 1 2 3 4 5 6 7 8 9

两个有序数组的长度分别是 4 和 9,长度之和是 13,中位数是两个有序数组中的第 7 个元素,因此需要找到第 k=7 个元素。

比较两个有序数组中下标为 k/2−1=2 的数,即 A[2] 和 B[2],如下面所示:

A: 1 3 4 9
       ↑
B: 1 2 3 4 5 6 7 8 9
       ↑

由于 A[2]>B[2],因此排除 B[0] 到 B[2],即数组 B 的下标偏移(offset)变为 3,同时更新 k 的值:k=k−k/2=4。

下一步寻找,比较两个有序数组中下标为 k/2−1=1 的数,即 A[1] 和 B[4],如下面所示,其中方括号部分表示已经被排除的数。

A: 1 3 4 9
     ↑
B: [1 2 3] 4 5 6 7 8 9
             ↑

由于 A[1]<B[4],因此排除 A[0] 到 A[1],即数组A 的下标偏移变为 2,同时更新 kk 的值:k=k−k/2=2。

下一步寻找,比较两个有序数组中下标为 k/2−1=0 的数,即比较A[2] 和 B[3],如下面所示,其中方括号部分表示已经被排除的数。

A: [1 3] 4 9
         ↑
B: [1 2 3] 4 5 6 7 8 9
           ↑

由于A[2]=B[3],根据之前的规则,排除A 中的元素,因此排除A[2],即数组 A 的下标偏移变为 3,同时更新 kk 的值: k=k-k/2=1。

由于 k 的值变成 1,因此比较两个有序数组中的未排除下标范围内的第一个数,其中较小的数即为第 k 个数,由于A[3]>B[3],因此第 k 个数是 B[3]=4。

A: [1 3 4] 9
           ↑
B: [1 2 3] 4 5 6 7 8 9
           ↑
public class Solution {
    public double findMedianSortedArrays(int[] nums1, int[] nums2) {
        int n = nums1.length;
        int m = nums2.length;

        int len = n + m;

        if(len % 2 == 1) {
            int k = len / 2;
            double median = getKthElement(nums1, nums2, k + 1);
            return median;
        } else {
            int k1 = len / 2 - 1;
            int k2 = len / 2;

            double median = (getKthElement(nums1, nums2, k1 + 1) + getKthElement(nums1, nums2, k2 + 1)) / 2.0;
            return median;
        }
    }

    private double getKthElement(int[] nums1, int[] nums2, int k) {
        /* 主要思路:要找到第 k (k>1) 小的元素,那么就取 pivot1 = nums1[k/2-1] 和 pivot2 = nums2[k/2-1] 进行比较
         * 这里的 "/" 表示整除
         * nums1 中小于等于 pivot1 的元素有 nums1[0 .. k/2-2] 共计 k/2-1 个
         * nums2 中小于等于 pivot2 的元素有 nums2[0 .. k/2-2] 共计 k/2-1 个
         * 取 pivot = min(pivot1, pivot2),两个数组中小于等于 pivot 的元素共计不会超过 (k/2-1) + (k/2-1) <= k-2 个
         * 这样 pivot 本身最大也只能是第 k-1 小的元素
         * 如果 pivot = pivot1,那么 nums1[0 .. k/2-1] 都不可能是第 k 小的元素。把这些元素全部 "删除",剩下的作为新的 nums1 数组
         * 如果 pivot = pivot2,那么 nums2[0 .. k/2-1] 都不可能是第 k 小的元素。把这些元素全部 "删除",剩下的作为新的 nums2 数组
         * 由于我们 "删除" 了一些元素(这些元素都比第 k 小的元素要小),因此需要修改 k 的值,减去删除的数的个数
         */
        int n = nums1.length;
        int m = nums2.length;
        int index1 = 0, index2 = 0;
        while (true) {
            //边界
            if(index1 == n) {
                return nums2[index2 + k - 1];
            }
            if(index2 == m) {
                return nums1[index1 + k - 1];
            }
            if(k == 1) {
                return Math.min(nums1[index1], nums2[index2]);
            }
            // 正常情况
            int mid = k / 2;
            int newIndex1 = Math.min(index1 + mid, n) - 1;
            int newIndex2 = Math.min(index2 + mid, m) - 1;
            int pivot1 = nums1[newIndex1], pivot2 = nums2[newIndex2];
            if(pivot1 < pivot2) {
                k -= (newIndex1 - index1 + 1);
                index1 = newIndex1 + 1;
            } else {
                k -= (newIndex2 - index2 + 1);
                index2 = newIndex2 + 1;
            }
        }
    }
}
/**
* 时间复杂度:遍历全部数组 O(log(m+n))
* 空间复杂度:开辟了一个数组,保存合并后的两个数组 O(1)
*/

TIP

此处非常感谢LeetCode-Solution提供的第三种方法的文案

资源下载链接为: https://pan.quark.cn/s/f989b9092fc5 HttpServletRequestWrapper 是 Java Servlet API 中的一个工具类,位于 javax.servlet.http 包中,用于对 HttpServletRequest 对象进行封装,从而在 Web 应用中实现对 HTTP 请求的拦截、修改或增强等功能。通过继承该类并覆盖相关方法,开发者可以轻松地自定义请求处理逻辑,例如修改请求参、添加请求头、记录日志等。 参过滤:在请求到达处理器之前,可以对请求参进行检查或修改,例如去除 URL 编码、过滤敏感信息或进行安全检查。 请求头操作:可以修改或添加请求头,比如设置自定义的 Content-Type 或添加认证信息。 请求属性扩展:在原始请求的基础上添加自定义属性,供后续处理使用。 日志记录:在处理请求前记录请求信息,如 URL、参、请求头等,便于调试和监控。 跨域支持:通过添加 CORS 相关的响应头,允许来自不同源的请求。 HttpServletRequestWrapper 通过继承 HttpServletRequest 接口并重写其方法来实现功能。开发者可以在重写的方法中添加自定义逻辑,例如在获取参时进行过滤,或在读取请求体时进行解密。当调用这些方法时,实际上是调用了包装器中的方法,从而实现了对原始请求的修改或增强。 以下是一个简单的示例,展示如何创建一个用于过滤请求参的包装器: 在 doFilter 方法中,可以使用 CustomRequestWrapper 包装原始请求: 这样,每当调用 getParameterValues 方法时,都会先经过自定义的过滤逻辑。 HttpServletRequestWrapper 是 Java Web 开发中一个强大的工具,它提供了灵活的扩展性,允许开发者
题目描述是关于寻找两个已排序组 `nums1` 和 `nums2` 的合并后的中位。这两个数组分别包含 `m` 和 `n` 个元素。要解决这个问题,首先我们需要合并这两个数组并保持有序,然后根据组的总大小决定取中间的方式。 1. 合并两个数组:由于组是有序的,我们可以使用双指针法,一个指向 `nums1` 的起始位置,另一个指向 `nums2` 的起始位置。比较两个指针所指元素的大小,将较小的那个放入一个新的合并组中,同时移动对应指针。直到其中一个数组遍历完毕,再将另一个数组剩余的部分直接复制到合并组中。 2. 计算中位:如果合并组的长度为奇,则中位就是最中间的那个元素;如果长度为偶,则中位是中间两个元素的平均。我们可以通过检查组长度的奇偶性来确定这一点。 下面是Python的一个基本解决方案: ```python def findMedianSortedArrays(nums1, nums2): merged = [] i, j = 0, 0 # Merge both arrays while i < len(nums1) and j < len(nums2): if nums1[i] < nums2[j]: merged.append(nums1[i]) i += 1 else: merged.append(nums2[j]) j += 1 # Append remaining elements from longer array while i < len(nums1): merged.append(nums1[i]) i += 1 while j < len(nums2): merged.append(nums2[j]) j += 1 # Calculate median length = len(merged) mid = length // 2 if length % 2 == 0: # If even, return average of middle two elements return (merged[mid - 1] + merged[mid]) / 2.0 else: # If odd, return middle element return merged[mid] ``` 这个函返回的是两个数组合并后的中位。注意,这里假设组 `nums1` 和 `nums2` 都是非空的,并且已经按照升序排列。
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