15.三数之和 python

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题目

题目描述

给你一个整数数组 nums ,判断是否存在三元组 [nums[i], nums[j], nums[k]] 满足 i != j、i != k 且 j != k ,同时还满足 nums[i] + nums[j] + nums[k] == 0 。请你返回所有和为 0 且不重复的三元组。

注意:答案中不可以包含重复的三元组。

示例 1:

输入:nums = [-1,0,1,2,-1,-4]
输出:[[-1,-1,2],[-1,0,1]]
解释:
nums[0] + nums[1] + nums[2] = (-1) + 0 + 1 = 0 。
nums[1] + nums[2] + nums[4] = 0 + 1 + (-1) = 0 。
nums[0] + nums[3] + nums[4] = (-1) + 2 + (-1) = 0 。
不同的三元组是 [-1,0,1] 和 [-1,-1,2] 。
注意,输出的顺序和三元组的顺序并不重要。

示例 2:

输入:nums = [0,1,1]
输出:[]
解释:唯一可能的三元组和不为 0 。

示例 3:

输入:nums = [0,0,0]
输出:[[0,0,0]]
解释:唯一可能的三元组和为 0 。

提示:

3 <= nums.length <= 3000
-105 <= nums[i] <= 105

题目链接

三数之和

题解

要解决这个问题,可以使用双指针法来查找所有和为零的三元组。具体步骤如下:

  1. 排序数组:首先对数组进行排序,这样可以方便地使用双指针法。
  2. 固定一个数:遍历数组,固定一个数 nums[i]
  3. 使用双指针:对于固定的 nums[i],使用两个指针 leftright 分别指向 i+1 和数组的末尾,寻找满足 nums[i] + nums[left] + nums[right] == 0 的组合。
  4. 去重:在遍历过程中,跳过重复的元素,避免产生重复的三元组。

Python 实现

def threeSum(nums):
    nums.sort()  # 对数组进行排序
    result = []
    n = len(nums)
    
    for i in range(n):
        # 如果当前数字大于0,则三数之和不可能为0,直接返回结果
        if nums[i] > 0:
            break
        # 跳过重复的元素
        if i > 0 and nums[i] == nums[i - 1]:
            continue
        
        left, right = i + 1, n - 1
        while left < right:
            total = nums[i] + nums[left] + nums[right]
            if total < 0:
                left += 1  # 如果总和小于0,移动左指针
            elif total > 0:
                right -= 1  # 如果总和大于0,移动右指针
            else:
                result.append([nums[i], nums[left], nums[right]])
                # 跳过重复的元素
                while left < right and nums[left] == nums[left + 1]:
                    left += 1
                while left < right and nums[right] == nums[right - 1]:
                    right -= 1
                left += 1
                right -= 1
    
    return result

解释

  1. 排序数组

    • nums.sort() 对数组进行排序,使得后续的双指针操作更加方便。
  2. 固定一个数

    • 使用 for 循环遍历数组,固定一个数 nums[i]
    • 如果 nums[i] 大于0,因为数组已经排序,所以后续的数都会大于0,不可能找到和为0的三元组,直接返回结果。
    • 跳过重复的元素,避免产生重复的三元组。
  3. 使用双指针

    • 初始化两个指针 leftright,分别指向 i+1 和数组的末尾。
    • 计算当前三数之和 total
    • 如果 total 小于0,移动左指针 left
    • 如果 total 大于0,移动右指针 right
    • 如果 total 等于0,将当前三元组加入结果列表,并跳过重复的元素,避免产生重复的三元组。
  4. 返回结果

    • 返回结果列表 result,包含所有和为0且不重复的三元组。

通过这种方法,可以在 O(n^2) 的时间复杂度内解决问题,效率较高。

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### 三数之和问题的解决方案 三数之和问题是经典的算法题目之一,通常描述为:给定一个整数数组 `nums` 和目标值 `target`,判断该数组中是否存在三个元素 \(a, b, c\),使得 \(a + b + c = target\)。如果存在这样的组合,则返回这些组合;否则返回空列表。 以下是解决此问题的一种高效方法——双指针法: #### 双指针法 双指针法是一种高效的线性扫描技术,在处理排序后的数据时尤为有效。具体步骤如下: 1. 首先对数组进行升序排序。 2. 使用外层循环遍历数组中的每一个元素作为第一个加数 \(a\)。 3. 对于剩下的部分,设置两个指针分别指向当前元素之后的第一个位置(左指针)以及最后一个位置(右指针)。计算这三个数的总和并与目标值比较。 - 如果总和等于目标值,则记录这一组解并将两指针向中间移动; - 如果总和小于目标值,则将左指针右移以增大数值; - 如果总和大于目标值,则将右指针左移以减小数值。 4. 跳过重复的元素以减少不必要的计算量。 这种方法的时间复杂度主要由排序决定,即 \(O(n \log n)\),而后续查找过程为 \(O(n^2)\) 的时间复杂度[^4]。 下面是具体的 Python 实现代码: ```python def three_sum(nums, target): nums.sort() # 排序数组以便应用双指针技巧 result = [] for i in range(len(nums)-2): # 外层循环控制第一个数的位置 if i > 0 and nums[i] == nums[i-1]: # 去重操作 continue left, right = i+1, len(nums)-1 # 初始化左右指针 while left < right: total = nums[i] + nums[left] + nums[right] if total == target: # 找到符合条件的一组解 result.append([nums[i], nums[left], nums[right]]) # 移动指针并跳过相同的值 while left < right and nums[left] == nums[left+1]: left += 1 while left < right and nums[right] == nums[right-1]: right -= 1 left += 1 right -= 1 elif total < target: # 总和较小则右移左指针 left += 1 else: # 总和较大则左移右指针 right -= 1 return result ``` 上述代码实现了三数之和问题的核心逻辑,并通过去重机制避免了冗余的结果输出[^5]。 --- #### 进一步优化的可能性 尽管双指针法已经非常高效,但在实际应用场景中仍可考虑一些额外措施来提升性能: - **剪枝策略**:在外层循环前加入条件提前终止无意义的操作。例如当最小可能的三数之和已超过目标值或者最大可能的三数之和不足目标值时可以直接退出当前轮次。 - **哈希表辅助**:虽然理论上不如双指针简洁明了,但对于某些特殊情况下可能会提供更灵活的选择方式[^6]。 ---
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