239. 滑动窗口最大值
题目
给你一个整数数组 nums
,有一个大小为 k
的滑动窗口从数组的最左侧移动到数组的最右侧。你只可以看到在滑动窗口内的 k
个数字。滑动窗口每次只向右移动一位。
返回 滑动窗口中的最大值 。
示例 1:
输入:nums = [1,3,-1,-3,5,3,6,7], k = 3 输出:[3,3,5,5,6,7] 解释: 滑动窗口的位置 最大值 --------------- ----- [1 3 -1] -3 5 3 6 7 3 1 [3 -1 -3] 5 3 6 7 3 1 3 [-1 -3 5] 3 6 7 5 1 3 -1 [-3 5 3] 6 7 5 1 3 -1 -3 [5 3 6] 7 6 1 3 -1 -3 5 [3 6 7] 7
示例 2:
输入:nums = [1], k = 1 输出:[1]
思路
这是使用单调队列的经典题目。
难点是如何求一个区间里的最大值呢? (这好像是废话),暴力一下不就得了。
暴力方法,遍历一遍的过程中每次从窗口中再找到最大的数值,这样很明显是O(n × k)的算法。
有的同学可能会想用一个大顶堆(优先级队列)来存放这个窗口里的k个数字,这样就可以知道最大的最大值是多少了, 但是问题是这个窗口是移动的,而大顶堆每次只能弹出最大值,我们无法移除其他数值,这样就造成大顶堆维护的不是滑动窗口里面的数值了。所以不能用大顶堆。
此时我们需要一个队列,这个队列呢,放进去窗口里的元素,然后随着窗口的移动,队列也一进一出,每次移动之后,队列告诉我们里面的最大值是什么。
这个队列应该长这个样子:
每次窗口移动的时候,调用que.pop(滑动窗口中移除元素的数值),que.push(滑动窗口添加元素的数值),然后que.front()就返回我们要的最大值。
这么个队列香不香,要是有现成的这种数据结构是不是更香了!
可惜了,没有! 我们需要自己实现这么个队列。
然后再分析一下,队列里的元素一定是要排序的,而且要最大值放在出队口,要不然怎么知道最大值呢。
但如果把窗口里的元素都放进队列里,窗口移动的时候,队列需要弹出元素。
那么问题来了,已经排序之后的队列 怎么能把窗口要移除的元素(这个元素可不一定是最大值)弹出呢。
大家此时应该陷入深思.....
其实队列没有必要维护窗口里的所有元素,只需要维护有可能成为窗口里最大值的元素就可以了,同时保证队列里的元素数值是由大到小的。
那么这个维护元素单调递减的队列就叫做单调队列,即单调递减或单调递增的队列。C++中没有直接支持单调队列,需要我们自己来实现一个单调队列
不要以为实现的单调队列就是 对窗口里面的数进行排序,如果排序的话,那和优先级队列又有什么区别了呢。
来看一下单调队列如何维护队列里的元素。
动画如下:
对于窗口里的元素{2, 3, 5, 1 ,4},单调队列里只维护{5, 4} 就够了,保持单调队列里单调递减,此时队列出口元素就是窗口里最大元素。
此时大家应该怀疑单调队列里维护着{5, 4} 怎么配合窗口进行滑动呢?
设计单调队列的时候,pop,和push操作要保持如下规则:
- pop(value):如果窗口移除的元素value等于单调队列的出口元素,那么队列弹出元素,否则不用任何操作
- push(value):如果push的元素value大于入口元素的数值,那么就将队列入口的元素弹出,直到push元素的数值小于等于队列入口元素的数值为止
保持如上规则,每次窗口移动的时候,只要问que.front()就可以返回当前窗口的最大值。
为了更直观的感受到单调队列的工作过程,以题目示例为例,输入: nums = [1,3,-1,-3,5,3,6,7], 和 k = 3,动画如下:
代码如下(JavaScript)
var maxSlidingWindow = function (nums, k) {
class Monoqueue { //单调队列(从大到小)
queue;
constructor() {
this.queue = []
}
enqueue(value) {
let back = this.queue[this.queue.length - 1]
//如果push的数值大于入口元素的数值,那么就将队列后端的数值弹出,直到push的数值小于等于队列入口元素的数值为止
//这样就保持了队列里的数值是单调从大到小的了
while (back!==undefined && back < value) {
this.queue.pop()
back = this.queue[this.queue.length - 1]
}
this.queue.push(value)
}
//每次弹出的时候,比较当前要弹出的数值是否等于队列出口元素的数值,如果相等则弹出。
dequeue(value) {
let front = this.front()
if (front == value) {
this.queue.shift()
}
}
//查询当前队列里的最大值 直接返回队列前端就可以了
front() {
return this.queue[0]
}
}
let helperQueue = new Monoqueue()
let i = 0, j = 0
const resArr = []
while (j < k) { //先将前k的元素放入队列
helperQueue.enqueue(nums[j++])
}
resArr.push(helperQueue.front()) //reArr 记录前k的元素的最大值
while (j < nums.length) {
helperQueue.enqueue(nums[j]) //滑动窗口前加入最后面的元素
helperQueue.dequeue(nums[i]) //滑动窗口移除最前面元素
resArr.push(helperQueue.front()) //记录对应的最大值
i++
j++
}
return resArr
};
347.前 K 个高频元素
题目
给定一个非空的整数数组,返回其中出现频率前 k 高的元素。
示例 1:
- 输入: nums = [1,1,1,2,2,3], k = 2
- 输出: [1,2]
示例 2:
- 输入: nums = [1], k = 1
- 输出: [1]
提示:
- 你可以假设给定的 k 总是合理的,且 1 ≤ k ≤ 数组中不相同的元素的个数。
- 你的算法的时间复杂度必须优于 $O(n \log n)$ , n 是数组的大小。
- 题目数据保证答案唯一,换句话说,数组中前 k 个高频元素的集合是唯一的。
- 你可以按任意顺序返回答案。
思路
这道题目主要涉及到如下三块内容:
- 要统计元素出现频率
- 对频率排序
- 找出前K个高频元素
首先统计元素出现的频率,这一类的问题可以使用map来进行统计。
然后是对频率进行排序,这里我们可以使用一种 容器适配器就是优先级队列。
什么是优先级队列呢?
其实就是一个披着队列外衣的堆,因为优先级队列对外接口只是从队头取元素,从队尾添加元素,再无其他取元素的方式,看起来就是一个队列。
而且优先级队列内部元素是自动依照元素的权值排列。那么它是如何有序排列的呢?
缺省情况下priority_queue利用max-heap(大顶堆)完成对元素的排序,这个大顶堆是以vector为表现形式的complete binary tree(完全二叉树)。
什么是堆呢?
堆是一棵完全二叉树,树中每个结点的值都不小于(或不大于)其左右孩子的值。 如果父亲结点是大于等于左右孩子就是大顶堆,小于等于左右孩子就是小顶堆。
所以大家经常说的大顶堆(堆头是最大元素),小顶堆(堆头是最小元素),如果懒得自己实现的话,就直接用priority_queue(优先级队列)就可以了,底层实现都是一样的,从小到大排就是小顶堆,从大到小排就是大顶堆。
本题我们就要使用优先级队列来对部分频率进行排序。
为什么不用快排呢, 使用快排要将map转换为vector的结构,然后对整个数组进行排序, 而这种场景下,我们其实只需要维护k个有序的序列就可以了,所以使用优先级队列是最优的。
此时要思考一下,是使用小顶堆呢,还是大顶堆?
有的同学一想,题目要求前 K 个高频元素,那么果断用大顶堆啊。
那么问题来了,定义一个大小为k的大顶堆,在每次移动更新大顶堆的时候,每次弹出都把最大的元素弹出去了,那么怎么保留下来前K个高频元素呢。
而且使用大顶堆就要把所有元素都进行排序,那能不能只排序k个元素呢?
所以我们要用小顶堆,因为要统计最大前k个元素,只有小顶堆每次将最小的元素弹出,最后小顶堆里积累的才是前k个最大元素。
寻找前k个最大元素流程如图所示:(图中的频率只有三个,所以正好构成一个大小为3的小顶堆,如果频率更多一些,则用这个小顶堆进行扫描)
代码如下(JavaScript)
//js 没有堆 需要自己构造
class Heap {
constructor (compareFn){
this.compareFn=compareFn
this.queue=[]
}
//添加
push(item){
//推入元素
this.queue.push(item)
//上浮
let index =this.size()-1 //记录推入元素下标
let parent =Math.floor((index-1)/2)//记录父节点下标
while(parent>=0&&this.compare(parent,index)>0){ //注意compare参数顺序
[this.queue[index],this.queue[parent]]=[this.queue[parent],this.queue[index]]
//更新下标
index=parent
parent=Math.floor((index-1)/2)
}
}
// 获取堆顶元素并移除
pop() {
// 堆顶元素
const out = this.queue[0];
// 移除堆顶元素 填入最后一个元素
this.queue[0] = this.queue.pop();
// 下沉
let index = 0; // 记录下沉元素下标
let left = 1; // left 是左子节点下标 left + 1 则是右子节点下标
let searchChild = this.compare(left, left + 1) > 0 ? left + 1 : left;
while (searchChild !== undefined && this.compare(index, searchChild) > 0) { // 注意compare参数顺序
[this.queue[index], this.queue[searchChild]] = [this.queue[searchChild], this.queue[index]];
// 更新下标
index = searchChild;
left = 2 * index + 1;
searchChild = this.compare(left, left + 1) > 0 ? left + 1 : left;
}
return out;
}
size() {
return this.queue.length;
}
// 使用传入的 compareFn 比较两个位置的元素
compare(index1, index2) {
// 处理下标越界问题
if (this.queue[index1] === undefined) return 1;
if (this.queue[index2] === undefined) return -1;
return this.compareFn(this.queue[index1], this.queue[index2]);
}
}
const topKFrequent = function (nums, k) {
const map = new Map();
for (const num of nums) {
map.set(num, (map.get(num) || 0) + 1);
}
// 创建小顶堆
const heap= new Heap((a, b) => a[1] - b[1]);
// entry 是一个长度为2的数组,0位置存储key,1位置存储value
for (const entry of map.entries()) {
heap.push(entry);
if (heap.size() > k) {
heap.pop();
}
}
// return heap.queue.map(e => e[0]);
const res = [];
for (let i = heap.size() - 1; i >= 0; i--) {
res[i] = heap.pop()[0];
}
return res;
};