剑指offer第二版-总结:元素出现次数

作者: ryderchan | 来源:发表于2017-09-05 19:54 被阅读108次

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    说明

    本篇是在56.数组中只出现一次的两个数字56.2.数组中唯一只出现一次的数字两道题目之上进行的总结与提炼,最好先看懂以上两个题目再来看此总结。

    问题描述

                            1.所有元素都出现了2次,除了一个出现1次
                                   /                       \
    2.所有元素都出现了2次,除了两个数各出现1次       3.所有元素都出现了k次,只有一个出现了1次
                                                           |
                                                  4.所有元素都出现了K次,只有一个不是K次
    

    概括分析

    对于问题1

    可用亦或解决。因为亦或有如下两条关键性质:
    (1)a^b=b^a,意味着对一个无序数组进行亦或等价于对排序后的数组进行疑惑
    (2)a^b^a=b,意味着出现两次的数字可以抵消掉。
    因此,将数组中所有元素进行亦或,即可得到那个只出现一次的一个数字。

    对于问题2

    它可以通过分组转化为问题1,分析过程见56.数组中只出现一次的两个数字

    对于问题3

    可以使用一个长度为32的整型数组bitsum记录数据数组中所有元素的每个bit的状态,分析过程见56.2.数组中唯一只出现一次的数字

    对于问题4

    与问题3的区别在于没有告诉那个特殊的数字出现的次数。发现问题4与问题3的相似性,我们可以尝试借助问题3的解法解决问题4。

    问题3的题目要求中的“三次”如果改成其他的数字,该解法依旧是有效的。或者说,该解法可以解决“除了一个数字出现一次外,其他数字都出现k次”这个问题,修改代码中的int k的数值即可。

    更近一步,对于“除了一个数字出现M次外,其他数字都出现K次(0<M<K)”这个问题,其实此题的解法也是有效的,只需将

    int result = 0;
    for(int i=0;i<32;i++){
        result<<=1; 
        result+=bitSum[i]%k;
    }
    

    修改为如下代码即可。因为在那个特殊数字出现M次时,bitSum[i]%k不是等于0,就是等于M。

    int result = 0;
    for(int i=0;i<32;i++){
        result<<=1; 
        result+=bitSum[i]%k>0?1:0;
    }
    

    问题4更加凝练的解法:借助电路设计知识解决

    为了便于理解,我们先从这个具体题目入手分析面试题56.2:数组中唯一只出现一次的数字

    题目要求:

    在一个整数数组中除了一个数字只出现一次外,其他数字都出现三次。找出那个出现一次的数字。

    思路分析:

    之前我们使用长度为32的int数组记录每个bit的状态,但其实是有很多空间浪费的,我们只需要记录出现次数为0次、1次或是2次这三个状态即可,因为3次、4次...等效于0次、1次...

    那么int bitsumOld[32]可以替换为boolean bitsum[32][2]。也就是bitsumbitsumOld[i] 被替换成了bitsum[i][],bitsumOld中的每一个整数元素被换成了一个长度为2的boolean型数组,这样之后申请的空间仅为原来的1/16。

    更进一步,我们将boolean bitsum[32][0]记为int a,boolean bitsum[32][1]记为int b,待计入的数字c的为1的二进制位会影响bitsum的值,其实也就是在影响a,b的值,只不过a,b将bitsum表示成了两个整数而已。而a,b的数值变化规则(即真值表)是

    a的第i个bit  b的第i个bit     |  c的第i个bit   ->     a的第i个bit   b的第i个bit
    --------------------------------------------------------------------------
    0            0                 0                    0            0
    0            1                 0                    0            1
    1            0                 0                    1            0
    0            0                 1                    0            1
    0            1                 1                    1            0
    1            0                 1                    0            0
    

    上述表格可用卡诺图表示如下:


    卡诺图表示.gif

    此图表示的是a,b每个对应bit的变化,由于不同bit之间是互不影响的,因此可以整体表示,即
    newa = a&~b&~c+~a&b&c
    newb = ~a&b&~c+~a&~b&c

    因此,面试题56.2:数组中唯一只出现一次的数字的另一种解法如下:

    public class P278_NumberAppearOnce {
        public static int findNumberAppearOnce2(int[] data){
            int a = 0, b = 0,aTemp = 0;
            for(int c:data){
                aTemp = a&~b&~c | ~a&b&c;
                b = ~a&b&~c | ~a&~b&c;
                a = aTemp;
            }
            return b;
        }
    }
    

    与之前的解法相比,不仅节省空间,更大大降低了代码量。如果题目是所有数字出现了3次,除了一个数字例外,即不确定是1次还是2次,那么只需要将

    return b
    

    修改为

    return a|b
    

    如果题目中的3次更改为k次,那么需要⌈log2k⌉个int变量储存状态,然后绘制相应的真值表与卡诺图,写出逻辑表达式即可。

    引用与参考

    https://discuss.leetcode.com/topic/22821/an-general-way-to-handle-all-this-sort-of-questions/12
    http://m.blog.csdn.net/smile_watermelon/article/details/47748227

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