LeetCode 1888 使二进制字符串交替的最少翻转次数

LeetCode 1888 使二进制字符串交替的最少翻转次数

题目描述

给你一个二进制字符串 s,你可以进行两种操作:

  1. 翻转任意一个字符(0 变 1,1 变 0)。
  2. 将字符串的第一个字符移动到末尾(即旋转)。

你可以任意次旋转,然后进行若干次翻转,使得最终的字符串变成交替字符串(即相邻字符都不相同)。求最少翻转次数。

解题思路

交替字符串的两种模式

长度为 n 的交替字符串只有两种可能:

  • 模式0 :以 0 开头,偶数下标(0,2,4,...)为 0,奇数下标为 1
  • 模式1 :以 1 开头,偶数下标为 1,奇数下标为 0

对于任意一个固定的字符串,我们可以统计偶数位置上 0 的个数奇数位置上 0 的个数,然后利用总数推导出与两种模式匹配所需翻转次数:

  • 偶数位置总数 = n - n/2(向上取整),奇数位置总数 = n/2(向下取整)。
  • 与模式0匹配的翻转次数 = (偶数位置总数 - 偶数位0的个数) + 奇数位0的个数 = (n - n/2 - even0) + odd0
  • 与模式1匹配的翻转次数 = 偶数位0的个数 + (奇数位置总数 - 奇数位0的个数) = even0 + (n/2 - odd0)
    取两者较小值即为当前字符串的最小翻转次数。

旋转的影响

旋转操作会使字符串的索引发生变化:每旋转一次,原第一个字符移到最后,其余字符的索引减 1。这会导致原本在偶数位置的字符变成奇数位置,反之亦然(除了移到末尾的那个字符)。因此,如果我们能维护当前字符串中偶数位置和奇数位置上 0 的个数,就可以通过模拟旋转过程,计算出所有旋转情况下的最少翻转次数。

核心算法

  1. 先统计原始字符串中偶数下标和奇数下标上 0 的个数 even0odd0
  2. 初始化答案为 n(最大可能值)。
  3. 循环 n 次,模拟每次旋转后的状态更新:
    • 移除当前第一个字符(原字符串的第 i 个字符,它在当前字符串中位于下标 0)。如果该字符是 '0',则 even0--(因为下标 0 是偶数)。
    • 剩余字符的索引全部减 1,奇偶性互换:交换 odd0even0
    • 把刚才移除的字符放到末尾,它现在位于下标 n-1。如果该字符是 '0',根据 n-1 的奇偶性增加对应的计数(n-1 为偶数则 even0++,否则 odd0++)。
    • 利用当前的 even0odd0 计算两种模式的最小翻转次数,更新答案。
  4. 返回答案。

代码实现(C++)

cpp 复制代码
class Solution {
public:
    int minFlips(string s) {
        int n = s.length();
        int even0 = 0, odd0 = 0; // 原始字符串中偶数下标、奇数下标上 '0' 的个数
        for (int i = 0; i < n; ++i) {
            if (s[i] == '0') {
                if (i & 1) odd0++;   // 奇数下标
                else even0++;         // 偶数下标
            }
        }

        int ans = n; // 初始化答案为最大值 n
        for (int i = 0; i < n; ++i) {
            // 1. 移除第一个字符(下标 0)
            if (s[i] == '0') even0--;

            // 2. 剩余字符索引减1,奇偶互换
            swap(odd0, even0);

            // 3. 把移出的字符放到末尾(下标 n-1)
            if (s[i] == '0') {
                if ((n - 1) & 1) odd0++; // n-1 为奇数
                else even0++;             // n-1 为偶数
            }

            // 计算当前旋转后的字符串所需最少翻转次数
            // 偶数位置总数 = n - n/2,奇数位置总数 = n/2
            int flips = min(even0 + n / 2 - odd0, odd0 + n - n / 2 - even0);
            ans = min(ans, flips);
        }
        return ans; // ans 一定非负,直接返回
    }
};

复杂度分析

  • 时间复杂度:O(n),只需一次遍历和一次循环,没有额外嵌套。
  • 空间复杂度:O(1),只使用了常数个变量。

总结

本题的关键在于理解旋转对字符奇偶位置的影响,通过维护偶数位和奇数位上 0 的个数,可以 O(n) 时间内求出所有旋转情况的最少翻转次数。这种模拟旋转并动态更新计数的方法避免了显式地旋转字符串,非常高效。

扩展:如果题目要求输出最少翻转次数对应的具体旋转次数,也可以在此算法基础上记录。

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