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4. 寻找两个有序数组的中位数

程序员文章站 2022-04-17 16:57:38
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题干

给定两个大小为 m 和 n 的有序数组 nums1 和 nums2。

请你找出这两个有序数组的中位数,并且要求算法的时间复杂度为 O(log(m + n))。

你可以假设 nums1 和 nums2 不会同时为空。

示例 1:

nums1 = [1, 3]
nums2 = [2]

则中位数是 2.0

示例 2:

nums1 = [1, 2]
nums2 = [3, 4]

则中位数是 (2 + 3)/2 = 2.5

来源:力扣(LeetCode)
链接:https://leetcode-cn.com/problems/median-of-two-sorted-arrays
著作权归领扣网络所有。商业转载请联系官方授权,非商业转载请注明出处。

题解

为了解决这个问题,我们需要理解 “中位数的作用是什么”。在统计中,中位数被用来:

将一个集合划分为两个长度相等的子集,其中一个子集中的元素总是大于另一个子集中的元素。

所以我们只需要将数组进行切割。

一个长度为 m 的数组,有 0 到 m 总共 m + 1 个位置可以切割。
4. 寻找两个有序数组的中位数
我们把数组 A 和数组 B 分别在 i 和 j 进行切割。
4. 寻找两个有序数组的中位数
将 i 的左边和 j 的左边组合成「左半部分」,将 i 的右边和 j 的右边组合成「右半部分」。

  • 当 A 数组和 B 数组的总长度是偶数时,如果我们能够保证
  1. 左半部分的长度等于右半部分
i + j = m - i  + n - j  , 也就是 j = ( m + n ) / 2 - i
  1. 左半部分最大的值小于等于右半部分最小的值 max ( A [ i - 1 ] , B [ j - 1 ])) <= min ( A [ i ] , B [ j ]))
那么,中位数就可以表示如下

(左半部分最大值 + 右半部分最小值 )/ 2。

(max ( A [ i - 1 ] , B [  j  - 1 ])+ min ( A [ i ] , B [ j ])) /  2
  • 当 A 数组和 B 数组的总长度是奇数时,如果我们能够保证
  1. 左半部分的长度比右半部分大 1
  i + j = m - i  + n - j  + 1也就是 j = ( m + n + 1) / 2 - i
  1. 左半部分最大的值小于等于右半部分最小的值 max ( A [ i - 1 ] , B [ j - 1 ])) <= min ( A [ i ] , B [ j ]))
那么,中位数就是

左半部分最大值,也就是左半部比右半部分多出的那一个数。

max ( A [ i - 1 ] , B [  j - 1 ])

上边的第一个条件我们其实可以合并为j = ( m + n + 1) / 2 - i,因为如果m + n 是偶数,由于我们取的是 int 值,所以加 1 也不会影响结果。当然,由于0 <= i <= m ,为了保证0 <= j <= n,我们必须保证m <= n

m≤n, i<m, j=(m+n+1)/2−i≥(m+m+1)/2−i>(m+m+1)/2−m=0

m≤n, i>0, j=(m+n+1)/2−i≤(n+n+1)/2−i<(n+n+1)/2=n

最后一步由于是 int 间的运算,所以 1/2=0。

而对于第二个条件,奇数和偶数的情况是一样的,我们进一步分析。为了保证max ( A [ i - 1 ] , B [ j - 1 ])) <= min ( A [ i ] , B [ j ])),因为 A 数组和 B 数组是有序的,所以A [ i - 1 ] <= A [ i ]B [ i - 1 ] <= B [ i ]这是天然的,所以我们只需要保证B [ j - 1 ] < = A [ i ]A [ i - 1 ] <= B [ j ]所以我们分两种情况讨论:

  • B [ j - 1 ] > A [ i ],并且为了不越界,要保证 j != 0,i != m
    4. 寻找两个有序数组的中位数
    此时很明显,我们需要增加 i ,为了数量的平衡还要减少 j ,幸运的是 j = ( m + n + 1) / 2 - i,i 增大,j 自然会减少。
  • A [ i - 1 ] > B [ j ] ,并且为了不越界,要保证 i != 0,j != n

4. 寻找两个有序数组的中位数
此时和上边的情况相反,我们要减少 i ,增大 j 。

上边两种情况,我们把边界都排除了,需要单独讨论。

  • 当 i = 0, 或者 j = 0,也就是切在了最前边。
    4. 寻找两个有序数组的中位数
    此时左半部分当 j = 0 时,最大的值就是 A [ i - 1 ] ;当 i = 0 时 最大的值就是 B [ j - 1] 。右半部分最小值和之前一样。

  • 当 i = m 或者 j = n,也就是切在了最后边。
    4. 寻找两个有序数组的中位数
    此时左半部分最大值和之前一样。右半部分当 j = n 时,最小值就是 A [ i ] ;当 i = m 时,最小值就是B [ j ] 。

所有的思路都理清了,最后一个问题,增加 i 的方式。当然用二分了。初始化 i 为中间的值,然后减半找中间的,减半找中间的,减半找中间的直到答案。

class Solution {
    public double findMedianSortedArrays(int[] A, int[] B) {
        int m = A.length;
        int n = B.length;
        if (m > n) { 
            return findMedianSortedArrays(B,A); // 保证 m <= n
        }
        int iMin = 0, iMax = m;
        while (iMin <= iMax) {
            int i = (iMin + iMax) / 2;
            int j = (m + n + 1) / 2 - i;
            if (j != 0 && i != m && B[j-1] > A[i]){ // i 需要增大
                iMin = i + 1; 
            }
            else if (i != 0 && j != n && A[i-1] > B[j]) { // i 需要减小
                iMax = i - 1; 
            }
            else { // 达到要求,并且将边界条件列出来单独考虑
                int maxLeft = 0;//左半部分最大值
                if (i == 0) 
                	{ maxLeft = B[j-1]; }
                else if (j == 0) 
                	{ maxLeft = A[i-1]; }
                else 
                	{ maxLeft = Math.max(A[i-1], B[j-1]); }
                
                if ( (m + n) % 2 == 1 ) 
                	{ return maxLeft; } // 奇数的话不需要考虑右半部分

                int minRight = 0;//右半部分最小值
                if (i == m) 
                	{ minRight = B[j]; }
                else if (j == n) 
                	{ minRight = A[i]; }
                else 
                	{ minRight = Math.min(B[j], A[i]); }

                return (maxLeft + minRight) / 2.0; //如果是偶数的话返回结果
            }
        }
        return 0.0;
    }
}
  • 时间复杂度:我们对较短的数组进行了二分查找,所以时间复杂度是 O(log(min(m,n))。

  • 空间复杂度:只有一些固定的变量,和数组长度无关,所以空间复杂度是 O(1)。

作者:windliang
链接:https://leetcode-cn.com/problems/median-of-two-sorted-arrays/solution/xiang-xi-tong-su-de-si-lu-fen-xi-duo-jie-fa-by-w-2/
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