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饭后茶思:求两递增数组的中位数(O(log(m + n)))你会吗?

Blankj  · 简书  ·  · 2017-12-11 11:16

原题可以在 LeetCode 上找到,地址:Median of Two Sorted Arrays,难度级别为困难。

不要被困难级别唬到,看完这篇文章,相信你也可以做出来。

乍一看求两递增数组的中位数并不是很难,因为两序列有序,所以我们很容想到时间复杂度为 O(m + n) 的做法:依次取出两数组中较小的元素,然后找到中间的元素即可。

但这样并不是最优的,我们还可以实现时间复杂度为 O(log(m + n)) 的算法,自然而然地我们就能想到二分查找法来求解。

题目是让找两数组的中位数,我们可以泛化为求两数组中第 k 大的元素,那么,求中位数就是其中的一个特例而已。helper 函数所起到的作用就是求两数组中第 k 大的元素,下面来解释其原理:

假设数组分别记为 AB,当前需要搜索第 k 大的数,于是我们可以考虑从数组 A 中取出前 m 个元素,从数组 B 中取出前 k - m 个元素。由于数组 AB 分别排序,则 A[m - 1] 大于从数组 A 中取出的其他所有元素,B[k - m - 1] 大于数组 B 中取出的其他所有元素。此时,尽管取出元素之间的相对大小关系不确定,但 A[m - 1]B[k - m - 1] 的较大者一定是这 k 个元素中最大的。那么,较小的那个元素一定不是第 k 大的,这里留给读者自己想象。

为叙述方便,假设 A[m - 1] 是较小的那个元素,那么我们可以把 A[0]A[1]...A[m - 1] 排除掉,并且更新 k 值为 k - m,也就是下一次就是从剩余的元素中寻找第 k - m 大的元素,这样,我们就完成了一次范围缩小,同理进行下一轮的操作。

那么什么时候停止操作呢?分两种情况:

  1. 当某个数组的数都被取完了,那么直接返回另一个数组的后 k 个元素即可。

  2. k = 1 时,也就是只需再找一个数即可,也就是取两者当前较小的那个即可。

特别地,我们选取 m = k / 2,下面是我画的草图,希望能帮助大家理解。

借助上面的理论,你能写出相关代码了吗?

class Solution {
    public double findMedianSortedArrays(int[] nums1, int[] nums2) {
        int len = nums1.length + nums2.length;
        if (len % 2 == 0) {
            return (helper(nums1, 0, nums2, 0, len / 2) + helper(nums1, 0, nums2, 0, len / 2 + 1)) / 2.0;
        }
        return helper(nums1, 0, nums2, 0, (len + 1) / 2);
    }

    private int helper(int[] nums1, int m, int[] nums2, int n, int k) {
        if (m >= nums1.length) return nums2[n + k - 1];
        if (n >= nums2.length) return nums1[m + k - 1];
        if (k == 1) return Math.min(nums1[m], nums2[n]);

        int p1 = m + k / 2 - 1;
        int p2 = n + k / 2 - 1;
        int mid1 = p1 < nums1.length ? nums1[p1] : Integer.MAX_VALUE;
        int mid2 = p2 < nums2.length ? nums2[p2] : Integer.MAX_VALUE;
        if (mid1 < mid2) {
            return helper(nums1, m + k / 2, nums2, n, k - k / 2);
        }
        return helper(nums1, m, nums2, n + k / 2, k - k / 2);
    }
}

我的 GitHub 上本题的题解地址:Median of Two Sorted Arrays,希望可以帮到你。

如果你同我一样热爱数据结构、算法、LeetCode,可以关注我 GitHub 上的 LeetCode 题解:awesome-java-leetcode




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