【Java 优选算法】前缀和(上)

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一维前缀和

题目链接

解法

理解题意

下标从1开始计,如示例1:

  1. 输入第一行3 2 表示数组长度n=3,要询问q=2次,
  2. 第二行1 2 4 表示该数组为1, 2, 4,
  3. 第三行表示第一次查询,要算下标为1到2对应数的和,
  4. 第四行表示第二次查询 要计算下标为2到3对应数的和

暴力解法O(n* q): 直接根据题意加和

解法二: 前缀和(快速求出数组中某一个连续区间的和) O(q) + O(n) 用空间换时间

  1. 预处理出来一个前缀和数组dpi ,该数组表示1, i区间内所有元素的和(比如dp2表示前2个数的和, dp3是前3个数的和...) dpi = dpi - 1 + arri , arr是原数组
  2. 使用前缀和数组 若要计算l, r区间的和, 直接dpr - dpl - 1

细节处理: 不从0下标开始是因为如果要计算0到1的和时,会出现dp1 - dp-1的情况,越界了 . 假设要计算1到2的和,则有dp2 - dp0, 将dp0初始化为0就行了

画图举例

代码

复制代码
import java.util.Scanner;

// 注意类名必须为 Main, 不要有任何 package xxx 信息
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Scanner in = new Scanner(System.in);
        //1.读入数据
        int n = in.nextInt(), q = in.nextInt();
        int[] arr = new int[n + 1];
        for(int i = 1; i <= n; i++) arr[i] = in.nextInt();

        //2.预处理一个前缀和数组
        long[] dp = new long[n + 1];//防止溢出
        for(int i = 1; i <= n; i++) dp[i] = dp[i - 1] + arr[i];

        //3.使用前缀和数组
        while(q > 0){
            int l = in.nextInt(), r = in.nextInt();
            System.out.println(dp[r] - dp[l - 1]);
            q--;
        }
        
    }
}

二维前缀和

题目链接

解法

理解题意: 输入第1行 3 4 3 表示n = 3行, m = 4列的二维数组,要查询q = 3次

第2行到第4行表示该二维数组

后面3行分别表示3次查询,如第5行 1 1 2 2表示要算出(1, 1)为左上角,(2, 2)为右下角的二维数组的和,6和7行以此类推...

暴力解法: 直接求和,(最差情况是q次询问的每次都要求 求整个区间的和,每次都要遍历一遍数组,所以时间复杂度是: O(n * m * q) --> 会超时)

解法二: 前缀和 (时间复杂度: O(m * n) + O(q) )

  1. 预处理出来一个前缀和矩阵dpij ,表示从1, 1为左上角,i, j为右下角组成的二维数组所有元素的和, 将arr数组分为A B C D四个部分,利用面积关系得出 dpij = dpi - 1j + dpij - 1 + arrij - dpi - 1j - 1
  2. 使用前缀和矩阵

画图举例

代码

复制代码
import java.util.Scanner;

// 注意类名必须为 Main, 不要有任何 package xxx 信息
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Scanner in = new Scanner(System.in);
        //1.读入数据
        int n = in.nextInt(), m = in.nextInt(), q = in.nextInt();
        int[][] arr = new int[n + 1][m + 1];
        for(int i = 1; i <= n; i++){
            for(int j = 1; j <= m; j++){
                arr[i][j] = in.nextInt();
            }
        }
        //预处理一个前缀和矩阵
        long[][] dp = new long[n + 1][m + 1];
        for(int i = 1; i <= n; i++){
            for(int j = 1; j <= m; j++){
                dp[i][j] = dp[i - 1][j] + dp[i][j - 1] + arr[i][j] - dp[i - 1][j - 1];
            }
        } 
        //使用前缀和矩阵
        while(q > 0){
            int x1 = in.nextInt(), y1 = in.nextInt(), x2 = in.nextInt(), y2 = in.nextInt();
            System.out.println(dp[x2][y2] - dp[x1 - 1][y2] - dp[x2][y1 - 1] + dp[x1 - 1][y1 - 1]);
            q--;
        }
        
    }
}

寻找数组的中心下标

题目链接

解法

利用前缀和思想: 定义一个前缀和fi,和一个后缀和gi

  • 前缀和 fi 表示0, i - 1区间所有元素的和 , fi = fi - 1 + numsi - 1
  • 后缀和 gi 表示 i + 1, n - 1区间所有元素的和 , gi = gi + 1 + numsi + 1

列举下标0 ~ n - 1的中判断fi == gi

细节问题: 初始化f0和gn - 1, f0 表示-1, 0区间的值 即f0=0, gn - 1同理, g(n - 1) = 0;

填表顺序: f表要从左向右填, g表要从右向左填

代码

复制代码
class Solution {
    public int pivotIndex(int[] nums) {
        int n = nums.length;
        int[] f = new int[n], g = new int[n];
        //1.预处理一下前缀和数组以及后缀和数组
        for(int i = 1; i < n; i++){
            f[i] = f[i - 1] + nums[i - 1];
        }
        for(int i = n - 2; i >= 0; i--){
            g[i] = g[i + 1] + nums[i + 1];
        }
        //2.使用
        for(int i = 0; i < n; i++){
            if(f[i] == g[i]) return i;
        }
        return -1;
    }
}

除自身以外数组的乘积

题目链接

解法

暴力解法: 每次都遍历一遍数组,将除了numsi的元素相乘,时间复杂度O(n^2)

解法二; 前缀积 fi 和后缀积 gi,

  • fi表示: 0, i - 1区间内所有元素的乘积, fi = fi - 1 * numsi - 1
  • gi表示: i + 1, n - 1区间内所有元素的乘积, gi = gi + 1 * numsi + 1

使用前缀积 : 使用ret数组表示结果, 将fi * gi填入ret的 i 位置

复制代码
class Solution {
    public int[] productExceptSelf(int[] nums) {
        int n = nums.length;
        int[] f = new int[n], g = new int[n];

        //1.预处理一个前缀积数组和后缀积
        f[0] = g[n - 1] = 1;
        for(int i = 1; i < n; i++){
            f[i] = f[i - 1] * nums[i - 1];
        }
        for(int i = n - 2; i >= 0; i--){
            g[i] = g[i + 1] * nums[i + 1];
        }
        int[] ret = new int[n];
        for(int i = 0; i < n; i++){
            ret[i] = f[i] * g[i];
        }
        return ret;
    }
}

处理细节: f0 = 1, gn - 1 = 1;

代码

复制代码
class Solution {
    public int[] productExceptSelf(int[] nums) {
        int n = nums.length;
        int[] f = new int[n], g = new int[n];

        //1.预处理一个前缀积数组和后缀积
        f[0] = g[n - 1] = 1;
        for(int i = 1; i < n; i++){
            f[i] = f[i - 1] * nums[i - 1];
        }
        for(int i = n - 2; i >= 0; i--){
            g[i] = g[i + 1] * nums[i + 1];
        }
        int[] ret = new int[n];
        for(int i = 0; i < n; i++){
            ret[i] = f[i] * g[i];
        }
        return ret;
    }
}
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