LintCode 436: Maximl Square (DP 经典题)

本文介绍了一种在二维二进制矩阵中寻找包含所有1的最大正方形并返回其面积的算法。通过动态规划(DP)方法,文章提供了两种解决方案:一种使用三重循环,另一种采用更优的DP公式,最后介绍了滚动数组优化的空间复杂度到O(n)的技巧。

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  1. Maximal Square

Given a 2D binary matrix filled with 0’s and 1’s, find the largest square containing all 1’s and return its area.

Example
Example 1:

Input:
[
[1, 0, 1, 0, 0],
[1, 0, 1, 1, 1],
[1, 1, 1, 1, 1],
[1, 0, 0, 1, 0]
]
Output: 4
Example 2:

Input:
[
[0, 0, 0],
[1, 1, 1]
]
Output: 1

思路:
DP。注意这题跟LintCode 510: Maximal Rectangle 看起来很像,但那题是求矩形,正解是单调递增栈。这题可能也可以用单调递增栈做,下次再试。

解法1:
用了3重循环。复杂度太高。

class Solution {
public:
    /**
     * @param matrix: a matrix of 0 and 1
     * @return: an integer
     */
    int maxSquare(vector<vector<int>> &matrix) {
        int nRow = matrix.size();
        int nCol = matrix[0].size();
        if (nRow == 0) return 0;
        
        vector<vector<int>> dp(nRow, vector<int>(nCol, 0));
        int maxLen = 0;
        for (int i = 0; i < nRow; ++i) {
            if (matrix[i][0] == 1) { 
                dp[i][0] = 1; 
                maxLen = 1;
            }
        }
        
        for (int j = 0; j < nCol; ++j) {
            if (matrix[0][j] == 1) {
                dp[0][j] = 1;
                maxLen = 1;
            }
        }
        
        for (int i = 1; i < nRow; ++i) {
            for (int j = 1; j < nCol; ++j) {
                if (matrix[i][j] == 0) continue;
                bool qualify = true;
                int len = dp[i - 1][j - 1];
                for (int k = j - 1; k >= j - len; --k) {
                    if (matrix[i][k] == 0) {
                        qualify = false;
                        break;
                    } else {
                        for (int k = i - 1; k >= i - len; --k) {
                            if (matrix[k][j] == 0) {
                                qualify = false;
                                break;
                            }
                        }
                    }
                }
                if (qualify) {
                    dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1] + 1;
                    maxLen = max(maxLen, dp[i][j]);
                }
            }
        }
        
        return maxLen * maxLen;
    }
};

解法2:
采用 dp[i][j] = min(dp[i - 1][j - 1], min(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j])) + 1;

class Solution {
public:
    /**
     * @param matrix: a matrix of 0 and 1
     * @return: an integer
     */
    int maxSquare(vector<vector<int>> &matrix) {
        int nRow = matrix.size();
        int nCol = matrix[0].size();
        if (nRow == 0) return 0;
        
        vector<vector<int>> dp(nRow, vector<int>(nCol, 0));
        int maxLen = 0;
        for (int i = 0; i < nRow; ++i) {
            if (matrix[i][0] == 1) { 
                dp[i][0] = 1; 
                maxLen = 1;
            }
        }
        
        for (int j = 0; j < nCol; ++j) {
            if (matrix[0][j] == 1) {
                dp[0][j] = 1;
                maxLen = 1;
            }
        }
        
        for (int i = 1; i < nRow; ++i) {
            for (int j = 1; j < nCol; ++j) {
                if (matrix[i][j] == 0) continue;
                
                dp[i][j] = min(dp[i - 1][j - 1], min(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j])) + 1; 
                maxLen = max(maxLen, dp[i][j]);
            }
        }
        
        return maxLen * maxLen;
    }
};

采用滚动数组优化: 空间复杂度优化到O(n)。

class Solution {
public:
    /**
     * @param matrix: a matrix of 0 and 1
     * @return: an integer
     */
    int maxSquare(vector<vector<int>> &matrix) {
        int m = matrix.size();
        if (m == 0) return 0;
        int n = matrix[0].size();
        //dp[i][j]: the len of the max square that has right-bottom corner at matrix[i][j]
        vector<vector<int>> dp(2, vector<int>(n + 1, 0));
        int maxLen = 0;
        for (int i = 1; i <= m; i++) {
            for (int j = 1; j <= n; j++) {
                if (matrix[i - 1][j - 1]) {
                    dp[i % 2][j] = min(dp[(i - 1) % 2][j - 1], min(dp[(i - 1) % 2][j], dp[i % 2][j - 1])) + 1;
                    maxLen = max(maxLen, dp[i % 2][j]);
                } else {
                    dp[i % 2][j] = 0; //注意!如果采用滚动数组,这一行必须加上,不然,第i%2行这里可能没有更新,会用之前(i-2)%2行的内容。
                }
            }
        }
        return maxLen * maxLen;
    }
};

注意:这里是求最大正方形,可以用DP。如果是求最大矩形,要用单调栈的方法解决。

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