7/5, Interval 类,扫描线
Interval 类问题中最常用的技巧,就是自定义 IntervalComparator,把输入按照 startTime 升序排序。
对于任意两个区间A与B,如果
A.end > B.start 并且
A.start < B.end
则 A 与 B 重叠。
按 start 排序后,数组有了单调性,上面的判断条件就简化成了 A.end > B.start 则一定重叠.
排序后的 Interval 扫描过程中,为了保证正确性,要格外小心多个 Interval 在同一 x 时,处理的先后顺序,比如 skyline problem.
熟悉下 TreeMap 的常用 API.
get()
put()
containsKey()
size()
values() : 返回 Collection<> of V
lowerKey(K key) : 返回最大的小于参数的Key,没有则 null
higherKey(K key):返回最小的大于参数的Key, 没有则 null
firstKey() : 返回最小 key
lastKey() : 返回最大 key
coursera 上Princeton Week5 公开课不错
Meeting Rooms
Trivial Problem.
public class Solution {
private class IntervalComparator implements Comparator<Interval>{
public int compare(Interval a, Interval b){
return a.start - b.start;
}
}
public boolean canAttendMeetings(Interval[] intervals) {
if(intervals == null || intervals.length <= 1) return true;
Arrays.sort(intervals, new IntervalComparator());
for(int i = 1; i < intervals.length; i++){
if(intervals[i].start < intervals[i - 1].end) return false;
}
return true;
}
}
如果已经知道end time最大, 可以建立array, count[start]++, count[end]--, 任一时刻如果count[i]>1, 返回false.
Meeting Rooms II
fb 面经高频题,follow up 是返回那个 overlap 最多的区间。
扫描线算法。需要注意的是如果有两个 interval 首尾相接,要把结束的那个排在 array 的前面,先把房间腾出来;否则的话会认为收尾相接的两个 meeting 需要占 2 个房间,这是错误的。
[[0, 30],[5, 10],[15, 20]]
(0,true) (5, true) (10, false) (15, true) (20, false) (30, false)
public class Solution {
private class Point{
int time;
boolean isStart;
public Point(int time, boolean isStart){
this.time = time;
this.isStart = isStart;
}
}
private class PointComparator implements Comparator<Point>{
public int compare(Point a, Point b){
if(a.time == b.time) return a.isStart ? 1 : -1 ;
else return a.time - b.time;
}
}
public int minMeetingRooms(Interval[] intervals) {
if(intervals == null || intervals.length == 0) return 0;
Point[] arr = new Point[intervals.length * 2];
for(int i = 0; i < intervals.length; i++){
arr[i * 2] = new Point(intervals[i].start, true);
arr[i * 2 + 1] = new Point(intervals[i].end, false);
}
Arrays.sort(arr, new PointComparator());
int maxOverLap = 0;
int curCount = 0;
for(Point pt : arr){
if(pt.isStart) curCount ++;
else curCount --;
maxOverLap = Math.max(maxOverLap, curCount);
}
return maxOverLap;
}
}
还有一种做法是维护priority queue
public int minMeetingRooms(Interval[] intervals){
if(intervals==null) return 0;
if(intervals.length<=1) return intervals.length;
Arrays.sort(intervals, new Comparator<Interval>(){
public int compare(Interval i1, Interval i2){
if(i1.start == i2.start)
return i1.end-i2.end;
return i1.start - i2.start;
}
});
PriorityQueue<Integer> pq = new PriorityQueue<Integer>();
int num = 1;
pq.offer(intervals[0].end);
for(int i=1;i<intervals.length;i++){
if(intervals[i].start>=pq.peek()){
pq.poll();
pq.offer(intervals[i].end);
}
else{
num++;
pq.offer(intervals[i].end);
}
}
return num;
}
(FB) follow-up: 如何返回重叠最多的那个区间?
当前 maxOverlap 创造新高的时候,存下 start 的时间戳,因为这是所有重合区间中 start 时间最晚的一个;
继续扫描,看到新的 end 的时候,存下这个 end 的时间戳,因为它是重合区间里 end 时间最早的一个;
二者之间,就是具体的 max overlap 区间
另一个fb onsite 面经题里,首先给 n 个一维 interval,返回任意重合最多的点;然后给 n 个二维 rectangle,返回任意重复最多的点。
按照2n 个y把y划分成2n-1个区间,每个区间在做一位的算法(covered by most intervers)
时间复杂度 n^2log(n)
https://www.cs.princeton.edu/~rs/AlgsDS07/17GeometricSearch.pdf
https://www.coursera.org/learn/algorithms-part1/lecture/mNiwq/rectangle-intersection
Merge Intervals
这题需要注意的 corner case 有两个:
按 startTime 排序后, merge 的新 interval 可能是完全包含于前一个 interval 的,如 【1,4】,【2,3】. 所以当发现 overlap 时,新的 End 要以两个 end 的最大值为准。
记得循环尾部做一个收尾,把最后 merge 完的结果生成新的 interval 也加到 list 中。
public List<Interval> merge(List<Interval> intervals) {
List<Interval> result = new ArrayList<Interval>();
if(intervals==null||intervals.size()==0)
return result;
Collections.sort(intervals, new Comparator<Interval>(){
public int compare(Interval i1, Interval i2){
if(i1.start!=i2.start)
return i1.start-i2.start;
else
return i1.end-i2.end;
}
});
Interval pre = intervals.get(0);
for(int i=1; i<intervals.size(); i++){
Interval curr = intervals.get(i);
if(curr.start>pre.end){
result.add(pre);
pre = curr;
}else{
Interval merged = new Interval(pre.start, Math.max(pre.end, curr.end));
pre = merged;
}
}
result.add(pre);
return result;
}
Insert Interval
顺着上一题的思路,一个最简单直接的写法就是。。直接把新的 interval 插进去,然后再跑一遍 merge interval 的代码。
考虑到一些极端情况,比如 newInterval 合并了原始 list 中绝大多数 intervals, 在原 list 上进行操作的话需要的比较与删减也会很多,所以从算法复杂度上讲,这种写法至少可以 AC,但不是最优。
三种情况
不相交, new.end<cur.start---->add new interval, new interval=cur interval
不相交, new.start>cur.end-----> add cur Interval, continue
有overlap, new完全包含cur, cur完全包含new, cur new部分包含彼此 ----->new Interval(minstart, maxend)
public class Solution {
public List<Interval> insert(List<Interval> intervals, Interval newInterval) {
List<Interval> result = new ArrayList<Interval>();
for(Interval interval: intervals){
if(interval.end < newInterval.start){
result.add(interval);
}else if(interval.start > newInterval.end){
result.add(newInterval);
newInterval = interval;
}else{
newInterval = new Interval(Math.min(interval.start, newInterval.start), Math.max(newInterval.end, interval.end));
}
}
result.add(newInterval);
return result;
}
}
在此基础上还可以进一步优化,不用额外空间,on-the-fly 解决战斗。
这种做法可以不花费任何额外空间,但是时间复杂度会更高,因为 List.remove() 是一个 O(n) 操作,add(index, val) 也是 O(n) 的。
public List<Interval> insert(List<Interval> intervals, Interval newInterval) {
int ptr = 0;
while(ptr < intervals.size() && intervals.get(ptr).end < newInterval.start) ptr++;
while(ptr < intervals.size() && intervals.get(ptr).start <= newInterval.end){
newInterval.start = Math.min(newInterval.start, intervals.get(ptr).start);
newInterval.end = Math.max(newInterval.end, intervals.get(ptr).end);
intervals.remove(ptr);
}
intervals.add(ptr, newInterval);
return intervals;
}
Summary Ranges
一个比较简单的区间融合问题
public class Solution {
public List<String> summaryRanges(int[] nums) {
List<String> list = new ArrayList<String>();
if(nums.length==0) return list;
int start = nums[0]; int end = nums[0]; int expect = start+1;
for(int i=1;i<nums.length;i++){
if(nums[i]==expect){
expect++; end = nums[i];
}
else{
StringBuilder sb = new StringBuilder();
if(start==end)
sb.append(start);
else
sb.append(start+"->"+end);
list.add(sb.toString());
start = nums[i]; end = nums[i]; expect = start+1;
}
}
StringBuilder sb = new StringBuilder();
if(start==end)
sb.append(start);
else
sb.append(start+"->"+end);
list.add(sb.toString());
return list;
}
}
Missing Ranges
第一种不太经济的写法是,建一个 boolean[upper - lower + 1] ,扫一遍数组记录下每个数是否出现过,然后根据 boolean[] 的 flag 进行融合。 这种写法首先需要 O(upper - lower) 的 extra space,而且最重要的是,没有利用到原数组 int[] 已经是排序了的性质,因此速度上不给力,而且在 upper = 100000000, lower = -10000000 这种极端情况下,空间占用非常大。
改进后的代码实现过程中,最开始没有考虑全 test case,虽然AC 了但是代码不够 clean. 下面参考论坛里的解法就简明了很多。
如果实现代码的时候发现要写很多 if else 处理特殊情况,最好的选择还是暂停一下,多把 test case 思考全再动手。
39/40 passed, 挂在了 -2147483648 2147483647
public class Solution {
public List<String> findMissingRanges(int[] nums, int lower, int upper) {
List<String> list = new ArrayList<String>();
int expect = lower;
for(int i=0;i<nums.length;i++){
if(i>0&&nums[i-1]==nums[i]) continue;
if(nums[i]==expect){
expect++;
continue;
}
int start = expect; int end = nums[i]-1;
if(start==end) list.add(start+"");
else list.add(start+"->"+end);
expect = nums[i]+1;
}
int last = nums.length==0? lower-1: nums[nums.length-1];
if(last!=upper){
if(last+1==upper) list.add(upper+"");
else list.add((last+1)+"->"+upper);
}
return list;
}
}
【lower, nums[i] - 1】 范围内没有数, ADD;
【nums[last] + 1,upper】 范围内没有数, ADD;
动态更新 lower,维护当前有效 range.
时间复杂度 O(n).
public List<String> findMissingRanges(int[] nums, int lower, int upper) {
List<String> res = new ArrayList<>();
long Lower = (long)lower;
long Upper = (long)upper;
for (int num : nums) {
long justBelow = (long)num - 1;
if (justBelow == Lower) res.add(String.valueOf(justBelow));
else if (justBelow > Lower) res.add(Lower + "->" + justBelow);
if (num == Integer.MAX_VALUE) return res;
Lower = (long)num + 1;
}
if (Lower == Upper) res.add(String.valueOf(Upper));
else if (Lower < Upper) res.add(Lower + "->" + Upper);
return res;
}
}
Data Stream as Disjoint Intervals
参考了论坛代码之后,另一种巧妙的做法:
addNum(int val) 时间复杂度:O(log n)
getIntervals() 时间复杂度:o(n log n) ?? should be O(n)
空间复杂度: O(n)
如果num存在, 返回
add num then merge with lowkey and highkey, remove highkey
add num then merge with lowkey
add num then merge with highkey, put treemap (num, new Interval(num, end)), remove highkey;
add num and don't merge
public class SummaryRanges {
TreeMap<Integer, Interval> map;
/** Initialize your data structure here. */
public SummaryRanges() {
map= new TreeMap<Integer, Interval>();
}
public void addNum(int val) {
if(map.containsKey(val))
return;
else{
Integer lk = map.lowerKey(val);
Integer hk = map.higherKey(val);
if(lk!=null && hk!=null && map.get(lk).end+1== val && hk==val+1){
map.get(lk).end = map.get(hk).end;
map.remove(hk);
}
else if(lk!=null && map.get(lk).end+1>=val){
map.get(lk).end = Math.max(val, map.get(lk).end);
}
else if(hk!=null && hk==val+1){
map.put(val, new Interval(val, map.get(hk).end));
map.remove(hk);
}
else
map.put(val, new Interval(val, val));
}
}
public List<Interval> getIntervals() {
return new ArrayList<Interval>(map.values());
}
}
(FB) 给定的是 stream of intervals,求 cover range.
这么改了之后难了很多。。用 TreeMap 依然可以,但是假设目前 TreeMap 维护的都是 none-overlapping intervals,一个新 interval 加入之后可能会出现若干种情况:
完全被某个 interval 包含,无影响;
完全和其他 interval disjoint,插入即可;
和左边的 overlap,但是不和右边的 overlap;
和右边的 overlap,但是不和左边的 overlap;
一次跨了多个 interval,这里面就有全包括的,包括一半的,在左边搭边的,在右边搭边的。。。
于是我觉得这题用 TreeMap 比较和乎人性的做法是,TreeMap 只负责维护 sorted intervals,需要查询 coverage 的时候,直接 new ArrayList<>(treeMap.values()) 给导出来然后跑一遍 merge interval ..
或者,直接维护一个按照 start time 排好序的 disjoint list of intervals,然后每次新的 interval 过来的时候,就 in-place 扫一遍做 merge 好了~ 这样每次 insert O(N),getCoverage O(1)
The Skyline Problem
扫描线算法,因为 building outline 只可能发生在每一段 "start/end" 的边界上,因此以每个 edge 的 (x, height) 排序,而后扫描。
当 x 值不同时,x 小的排在前面;
else 当 y 值不同时,y 小的排在前面;
调换的话下面的代码会有 bug
这题在九章课上讲的时候,使用的是 HashHeap,我们需要一个 maxHeap 来检测对于每一个点,我们建筑的最大高度,但同时在扫描过程中我们需要对每一个具体的 edge 进行删除操作,而 HashHeap 可以做到 O(log n) 的复杂度,Java 默认的 heap 只能做到 O(n).
如何在 heap 中快速删除这个问题和当初准备 Bloomberg 时候的马拉松问题一样,Java 中有现成的解决方案:
TreeMap.
接下来的问题是:
当遇到一座楼的右边界时,如何删除其对应的左边界?在 TreeMap 里直接用 Edge class 做 key 是不行的,因为我们无法通过 new 一个参数一模一样的 instance 去做 lookup. 所以在 Key-Value 的设计中,我们应该用 height 做 Key,因为同一座建筑左右墙 height 相等,就可以实现查找。即使有多座 height 一样的左墙,我们也只需要用 count 做 value,把当前 height 的墙数减一即可。
对于同一高度的不同建筑,如何确保其在 TreeMap 中不会互相 replace ,从而保证算法的正确性? 在自己 debug 的过程中,即使后面逻辑完全一致,不用负数 height 做 Key 依然会有 bug. ,用负数可以省去 Edge class 里面一个变量,最主要的是,在调用 Arrays.sort() 时,可以保证对于同一个 x 位置,在增加时永远先处理 height 最高的建筑,而删除时永远先删除 height 最小的建筑,从而保证了在同一个高度上多个建筑 Edge 重叠时,算法的正确性。
如何正确处理建筑清光之后,剩余高度为 0 的情况?一开始在 TreeMap 里加一个 (0, 1) 的 entry,代表始终有一个高度为 0 的墙,即地面;
O(Edge 排序) + O(Edge 数 * (插入 / 删除 + 查找))
O(2n log 2n) + O(2n * (log 2n + log 2n)) = O(n log n)
public class Solution {
private class Edge implements Comparable<Edge>{
int x;
int y;
public Edge(int x, int y){
this.x = x;
this.y = y;
}
public int compareTo(Edge b){
// Ascending in x coordinate
if(this.x != b.x) return this.x - b.x;
else return this.y - b.y;
}
}
public List<int[]> getSkyline(int[][] buildings) {
// Key : height of edge
// Value : count of edges of that height
TreeMap<Integer, Integer> treeMap = new TreeMap<>();
List<int[]> list = new ArrayList<>();
Edge[] edges = new Edge[2 * buildings.length];
for(int i = 0; i < buildings.length; i++){
int[] building = buildings[i];
edges[i * 2] = new Edge(building[0], -building[2]);
edges[i * 2 + 1] = new Edge(building[1], building[2]);
}
Arrays.sort(edges);
treeMap.put(0, 1);
int prevHeight = 0;
for(Edge edge : edges){
if(edge.y < 0){
if(!treeMap.containsKey(-edge.y)){
treeMap.put(-edge.y, 1);
} else {
int count = treeMap.get(-edge.y);
treeMap.put(-edge.y, count + 1);
}
} else {
int count = treeMap.get(edge.y);
if(count == 1){
treeMap.remove(edge.y);
} else {
treeMap.put(edge.y, count - 1);
}
}
int curHeight = treeMap.lastKey();
if(prevHeight != curHeight){
list.add(new int[]{edge.x, curHeight});
prevHeight = curHeight;
}
}
return list;
}
}
当 x 值不同时,x 小的排在前面;
else 当 y 值不同时,y 小的排在前面;
调换的话下面的代码会有 bug, input: [[0,2,3],[2,5,3]] output: [[0,3],[2,0],[2,3],[5,0]] expected: [[0,3],[5,0]]
原因是相邻等高的边, 会先弹出右边, 再加入左边, 这样多了两个点
PQ要先offer(0)这个地板. 为了最后一个点
(O(n^2)time, O(n) space)
public class Solution {
public List<int[]> getSkyline(int[][] buildings) {
List<int[]> ans = new ArrayList<int[]>();
List<int[]> height = new ArrayList<int[]>();
for(int h[]:buildings){
height.add(new int[]{h[0],-h[2]});
height.add(new int[]{h[1],h[2]});
}
Collections.sort(height, new Comparator<int[]>(){
public int compare(int[] a, int b[]){
if(a[0]!=b[0]) return a[0]-b[0];
return b[1]-a[1];
}
});
PriorityQueue<Integer> pq = new PriorityQueue<Integer>(Collections.reverseOrder());
pq.offer(0);//skylin最后一个点高度总是0; cur = pq.peek() pq为空当最后一个点remove时
int prev = -1;
for(int[] h : height){
if(h[1]<0){
pq.offer(-h[1]);
}
else
pq.remove(h[1]);
int cur = pq.peek();
if(cur!=prev){
ans.add(new int[]{h[0], cur});
prev = cur;
}
}
return ans;
}
}
Rectangle Area (G)
这道题LeetCode问的是两个,简单的math可以解决。overlap部分一定是两个长方形的左下x,y最大值和两个长方形右上的最小值计算的。当最大值和最小值valid的时候,overlap是存在的。
public class Solution {
public int computeArea(int A, int B, int C, int D, int E, int F, int G, int H) {
int x1 = Math.max(A,E);
int y1 = Math.max(B,F);
int x2 = Math.min(C,G);
int y2 = Math.min(D,H);
int ol = 0;
if(x2<=x1 || y2<=y1) ol = 0;
else ol = (x2-x1)*(y2-y1);
return (C-A)*(D-B) + (G-E)*(H-F) - ol;
}
}
G问的是N个rectangle求面积。
第二轮, n个矩阵没有三个及以上相交的情况。也就是说面积部分最多属于两个矩阵。
首先对所有矩阵按照左下的x value进行排序,依次扫每个长方形,扫到一个长方形,加入这个长方形的面积。计算当前长方形和上个长方形的overlap,减去overlap。计算overlap的方式和LC尔尔散一样。
高人解答
二维长方形求overlap,总面积的思路都在将二维转到一维range;一维range的问题如Interval和skyline转到“点”上。
这个题,
首先根据x value对rectangle 排序,
求每个x value range<x1, x2> <x2, x3>,求出当前range 里y的range。比如插入(x1, <<y1, y2>>) (x2,<<y3,y4>>), (x3, <<y5,y6>>)
对y range进行排序merge
分别求<x1, x2> <x2, x3> 里长方形的和,再累加. 比如(x2-x1)*(y2-y1), (x3-x4)*((y2-y1)+(y3-y4))
对于右边界,注意移除。比如(x4, <<y1,y2>>) 或者每次都get新的Range Y list。