class Solution {
public:
vector<double> calcEquation(vector<vector<string>>& equations, vector<double>& values, vector<vector<string>>& queries) {
}
};
题意
给出方程式A/B=K,其中A和B均为代表字符串的变量,K是一个浮点数。要求根据已知方程式求解问题,并返回计算结果。如果结果不存在,则返回-1.0。
即这道题给出了一些字母变量的倍数关系,问给出任意两个字母的倍数关系是多少。
示例一:
我们来一个个的分析。现在告诉了你a和b、b和c的关系,现在要让你求出a和c的关系,你应该怎么求呢?
{a, b}
对应的值为2.0
,那么可以将a,b视作同一集合的元素,a指向b,权值为2.0
,同时能推导出b
到a
也有一条路径,权值为0.5
。即是一张有向加权图分析示例 1:
求 a c a \over c ca,可以 a = 2 b , b = 3 c a = 2b,b = 3c a=2b,b=3c依次代入,得到 a c a \over c ca = 2 b c 2b \over c c2b = 2 ∗ 3 c c 2 * 3c \over c c2∗3c = 6.0 6.0 6.0
我们计算了两个结果,不难知道:可以将题目给出的 equation
中的两个变量所在的集合进行[合并],同在一个集合中的两个变量就可以通过某种方式计算出它们的比值。具体来说,可以把不同的变量的比值转换成为相同变量的比值,这样在做除法的时候就可以消去相同的变量,然后再计算转换成相同变量以后的系数的比值,就是题目要求的结果。统一了比较的标准,可以以O(1)的时间复杂度完成计算。
如果两个变量不在同一个集合中,返回-1.0。并且根据题目的意思,如果两个变量中至少有一个变量没有出现在所有 equations 出现的字符集合中,也返回 -1.0。
构造有向图
通过示例1的分析,我们知道了,题目给出的equations 和 values可以表示成一个图,equations 中出现的变量就是图的顶点,[分子]于「分母」的比值可以表示成一个有向关系(因为「分子」和「分母」是有序的,不可以对换),并且这个图是一个带权图,values 就是对应的有向边的权值。
例 1 中给出的 equations 和 values 表示的「图形表示」、「数学表示」和「代码表示」如下表所示。其中 parent[a] = b 表示:结点 a 的(直接)父亲结点是 b,与之对应的有向边的权重,记为 weight[a] = 2.0,即 weight[a] 表示结点 a 到它的 直接父亲结点 的有向边的权重。
「统一变量」与「路径压缩」的关系
刚刚在分析例 1 的过程中,提到了:可以把一个一个 query 中的不同变量转换成 同一个变量,这样在计算 query 的时候就可以以 O(1)O(1) 的时间复杂度计算出结果,在「并查集」的一个优化技巧中,「路径压缩」就恰好符合了这样的应用场景。
为了避免并查集所表示的树形结构高度过高,影响查询性能。「路径压缩」就是针对树的高度的优化。「路径压缩」的效果是:在查询一个结点 a 的根结点同时,把结点 a 到根结点的沿途所有结点的父亲结点都指向根结点。如下图所示,除了根结点以外,所有的结点的父亲结点都指向了根结点。特别地,也可以认为根结点的父亲结点就是根结点自己。如下国所示:路径压缩前后,并查集所表示的两棵树形结构等价,路径压缩以后的树的高度为 2,查询性能最好。
如何在「查询」操作的「路径压缩」优化中维护权值变化
如下图所示,我们在结点 a 执行一次「查询」操作。路径压缩会先一层一层向上先找到根结点 d,然后依次把 c、b 、a 的父亲结点指向根结点 d。
如何在「合并」操作中维护权值的变化
「合并」操作基于这样一个 很重要的前提:我们将要合并的两棵树的高度最多为 2,换句话说两棵树都必需是「路径压缩」以后的效果,两棵树的叶子结点到根结点最多只需要经过一条有向边。
class Solution {
class UnionFind{
private:
std::vector<int> parent; //存放父节点
std::vector<double > weight; //指向父节点的值
public:
UnionFind(int n){
for (int i = 0; i < n; ++i) {
parent.push_back(i);
weight.push_back(1.0); // 权重初始化为1
}
}
//路径压缩。返回根节点id
int find(int x){
// 递归寻找根节点,更新该点到根的权重为该点父节点到根的权重
while (x != parent[x]){
int origin = parent[x];
parent[x] = find(parent[x]);
weight[x] *= weight[origin];
}
return parent[x];
}
// 返回除法结果。如果两个值不存在则-1
double isConnected(int x, int y){
int rootX = find(x);
int rootY = find(y);
// 如果两个值有共同的根也就是可以计算,则算结果。否则不在同一个并查集,-1
if(rootX == rootY){
return weight[x] / weight[y];
}else{
return -1.0;
}
}
void merge(int x, int y, double value){
// 分别找到二者的根节点
int rootX = find(x), rootY = find(y);
if (rootX == rootY) {
return; // 二者已经指向同一个根节点
}
// 令分子指向分母的根节点,权重为分母到根的权重*分母除分子的值/分子到根的权重。一开始都是1
parent[rootX] = rootY;
weight[rootX] = weight[y] * value / weight[x];
}
};
public:
vector<double> calcEquation(vector<vector<string>>& equations, vector<double>& values, vector<vector<string>>& queries) {
// 初始化并查集
int eSize = equations.size();
UnionFind unionFind(2 * eSize);
// 第 1 步:预处理,将变量的值与 id 进行映射
std::map<std::string, int> hashMap;
int id = 0;
for (int i = 0; i < eSize; ++i) {
auto equat = equations[i];
string var1 = equat[0];
string var2 = equat[1];
if (!hashMap.count(var1)) {
hashMap[var1] = id;
++id;
}
if (!hashMap.count(var2)) {
hashMap[var2] = id;
++id;
}
// 把分子分母用有向边连起来
unionFind.merge(hashMap[var1], hashMap[var2], values[i]);
}
// 第 2 步:做查询
int qSize = queries.size();
std::vector<double > res(qSize, -1.0);
for (int i = 0; i < qSize; ++i) {
string var1 = queries[i][0];
string var2 = queries[i][1];
int id1, id2;
// 如果两个值有至少一个不在equations中,结果为-1,否则做除法
if(hashMap.count(var1) && hashMap.count(var2)){
id1 = hashMap[var1];
id2 = hashMap[var2];
res[i] = unionFind.isConnected(id1, id2);
}
}
return res;
}
};