【Hot 100 刷题计划】 LeetCode 287. 寻找重复数 | C++ 数组判环 (快慢指针终极解法)

LeetCode 287. 寻找重复数

📌 题目描述

题目级别:中等

给定一个包含 n + 1 个整数的数组 nums ,其数字都在 [1, n] 范围内(包括 1 和 n),可知至少存在一个重复的整数。

假设 nums 只有 一个重复的整数 ,返回 这个重复的数 。

进阶要求:你设计的解决方案必须 不修改 数组 nums 且只用常量级 O(1)O(1)O(1) 的额外空间。

  • 示例 1:
    输入:nums = [1,3,4,2,2]
    输出:2

💡 破题思路:Floyd 快慢指针 (龟兔赛跑)

题目极其变态的限制条件(不能修改原数组、只能用 O(1)O(1)O(1) 空间),直接封死了"排序"、"哈希表标记"、"正负号标记"等一切常规解法。

这道题的破局点在于建图 。

由于数组有 n + 1 个元素,且所有的值都在 1 到 n 之间,这就意味着:把数组的下标作为"链表节点",把数组里的值作为"指向下一个节点的指针 (next)",永远不会越界!

又因为有"重复的数字",这意味着有两个及以上的下标指向了同一个值 。这就好比有多个节点指向了同一个目标节点------链表成环了,且重复的数字就是环的入口!

这道题被完美转化为了极其经典的《环形链表 II》问题,分为两步:

  1. 寻找环内相遇点 :快指针每次走两步(fast = nums[nums[fast]]),慢指针每次走一步(slow = nums[slow])。由于有环,它们必然会在环内某处相遇。
  2. 寻找环的入口(寻找重复数) :相遇后,把慢指针调回起点(slow = 0),快指针留在原地。此时让它们俩每次都只走一步,下一次它们再次相遇的地方,就是环的入口,也就是我们要找的重复数字!(注:此物理推导有严密的数学方程支撑)

💻 C++ 代码实现 (完全保留作者原版)

cpp 复制代码
class Solution {
public:
    int findDuplicate(vector<int>& nums) {
        int slow = 0, fast = 0;
        
        // 初始迈出第一步
        slow = nums[slow];
        fast = nums[nums[fast]];
        
        // 阶段一:龟兔赛跑,寻找环内相遇点
        while (slow != fast)
        {
            // 慢指针走一步,快指针走两步
            slow = nums[slow];
            fast = nums[nums[fast]];
        }

        // 阶段二:慢指针回到起点
        slow = 0;

        // 两个指针以相同的速度前进,寻找环的入口
        while (slow != fast)
        {
            slow = nums[slow];
            fast = nums[fast];
        }

        // 相遇的那个数字,就是导致成环的重复数字
        return slow;
    }
};
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