【leetcode】【2022/11/14】805. 数组的均值分割

问题描述:

  • 给定你一个整数数组 nums,我们要将 nums 数组中的每个元素移动到 A 数组或者 B 数组中,使得 A 数组和 B 数组不为空,并且 average(A) == average(B)
    • 如果可以完成则返回 true,否则返回 false
    • 满足 1 <= nums.length <= 30

核心思路:

  • 该题较难,考察了数学推导 + 位运算 + 折半搜索。
  • 数学推导部分如下:
    • 首先经过推导可得知,数组 A 或数组 B 的平均值原数组 nums 的平均值是相等的。
    • 因此将数组中所有数值减去 sum(nums)/n,原问题就可以转换为找到一个数组 A 其求和为 0。【其中 n 为数组长度】
    • 而直接求 nums 的平均值可能会得到浮点值影响最后结果的精度,所以在求平均值前先将 nums 中所有数值乘以数组的长度,再将所有数值减去 sum(nums),仍然可以将问题转化为找到一个数组 A 其求和为 0
    • 也就是说,对每一个数值 num 进行 num * n - sum(nums) 的预处理,最后找到 nums 中哪些数求和为 0 即可。
  • 而想要计算出所有的子集求和情况,就需要用位运算来维护元素的存取情况:
    • 因为 1 <= n <= 30,所以所有子集的存取有 2 n 2^{n} 2n 种情况,用第 i 位用来判断数组第 i 个元素是否存入数组 A
    • 因此我们遍历 [1, 1 << n) 即遍历所有存取情况;在每一个子集中遍历数组元素,来获得当前子集求和情况。
    • 但如此计算就是暴力求解,时间复杂度为 O ( 2 n × n ) \mathcal{O}(2^n\times n) O(2n×n),当 n = 30 时自然会超时。
  • 解决的办法就是折半搜索:【该思想是本题解的主要难点】
    • 顾名思义就是搜索前半段和后半段,时间复杂度就会缩减为 O ( 2 n 2 × n ) \mathcal{O}(2^{\frac{n}{2}}\times n) O(22n×n)
    • 但此时需要进行讨论,最后子集 A 可能出现三种情况:
      1. 子集元素全部存在于数组前半段;【此时搜索前半段就可以得到某个子集求和为 0
      2. 子集元素全部存在于数组后半段;【此时搜索后半段就可以得到某个子集求和为 0
      3. 子集元素存在于前半段和后半段。
    • 情况 3 较为复杂,此时就需要用空间换时间,利用哈希表来保存前半段的所有子集和,在后半段的遍历中利用哈希表中的值即可。
    • 用哈希表来保存值时,还可能出现前半段和后半段元素同时全选的情况,此时需要避免判断该情况,具体看代码注释即可。
  • 该题的动态规划是根据 sum(nums) 的范围推导的,也就是根据值域大小来获得所有子集求和的情况,官方题解给出的动态规划解法时间复杂度为 O ( n 2 × s u m ( n u m s ) ) \mathcal{O}(n^2\times sum(nums)) O(n2×sum(nums)),一旦求和的范围过大,动态规划解法就可能会超时。

代码实现:

  • 折半搜索解法代码实现如下:
    class Solution {
    public:
        bool splitArraySameAverage(vector<int>& nums) {
            int n = nums.size(); // n 的取值范围为 [1, 30]
            if(n == 1) return false;
            int sum = accumulate(nums.begin(), nums.end(), 0);
            for(int& num : nums) num = num * n - sum; // 原本是 num = num - sum/n,但这样写会有精度问题
            int m = n >> 1; // 折半计算
            unordered_set<int> ss;
            for(int i = 1; i < (1 << m); ++i) { // 二进制表示选择结果
                int t = 0;
                for(int j = 0; j < m; ++j)
                    if(i & (1 << j)) t += nums[j]; // 求和子数组
                if(t == 0) return true;
                ss.insert(t);
            }
            for(int i = 1; i < 1 << (n-m); ++i) {
                int t = 0;
                for (int j = 0; j < (n-m); ++j)
                    if(i & (1 << j)) t += nums[m+j];
                if(t == 0 or (i != (1 << (n-m))-1 and ss.count(-t))) return true;
                // 注意 i != (1 << (n-m))-1 表示不能“同时”左子数组全选和右子数组全选,因为同时全选就是整个数组全部选择,则必定返回 true
                // 左子数组全选的情况已经存在 ss 中,所以遍历右子数组之后,判断完右子数组全选不为 0 之后,就需要避免左右子数组同时全选的情况
            }
            return false;
        }
    };
    

参考内容:

  • 折半查找 + 二进制枚举(详解)

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