84. 柱状图中最大的矩形

给定 n 个非负整数,用来表示柱状图中各个柱子的高度。每个柱子彼此相邻,且宽度为 1 。
求在该柱状图中,能够勾勒出来的矩形的最大面积。

解题思路:暴力 / 单调栈

首先我们分析一下,【第 i 列】柱子可以勾勒出来的矩形最大面积为?(0 ≤ i < n)
无外乎就是往左右两边延申,能延伸多少延申多少,直到碰到比它矮的柱子无法继续延伸为止。
——当出现的时候!也就是柱子的左边第一次出现比它低的,右边也出现第一次比它低的时候,无法再继续延申!

\color{black}{可以说是和42. 接雨水思想非常类似,可以仔细看看。}

1、解法一:暴力 O(n^2)

● 遍历第 i 列,需要一层for循环——O(n)
 ● 分别找到左边第一个比它矮的,右边第一个比它矮的,需要两层并列的for循环——O(n),嵌套后时间复杂度为O(n^2)
 ● 计算当前柱子可以勾勒得最大矩形面积

class Solution {
    public int largestRectangleArea(int[] heights) {
        // 找凸,即对于每一个柱子(凸的制高点)来说,需要找到左右两遍第一个比它小(左右制低点)的下标(在这个区间中就是它能扩展的最大面积)
        int result = 0;
        for(int i=0; i<heights.length; i++){
            // 找左边制低点
            int j = i-1;
            for(; j>=0; j--){
                if(heights[j] < heights[i]) break;
            }
            int leftLowIndex = j;
            // 找右边制低点
            j = i+1;
            for(; j <heights.length; j++){
                if(heights[j] < heights[i]) break;
            }
            int rightLowIndex = j;

            // 计算下标 i 柱子的最大扩展面积
            result = Math.max(result, (rightLowIndex - leftLowIndex - 1) * heights[i]);
        }
        return result;
    }
}

本题可不可以像42.接雨水一样对暴力做优化呢?
即:提前构造左数组、右数组,需要的时候直接取。——可以是可以,但是时间复杂度并不会提升(接雨水中是优化了一个数量级),本质上构造左右数组的时候,仍需要两个并列的O(n^2),没啥本质区别,反而还增加了空间,所以没必要去做。

2、单调栈

● 什么时候要想到用单调栈?
——通常是一维数组,要寻找任一个元素的右边或者左边第一个比自己大或者小的元素!

在这道题中,我们要寻找凸点,即找当前柱子中,左边第一次出现比它低的柱子,以及右边第一次出现比它低的柱子,应该要能够想到借助单调栈求解。

● 凸的寻找
——如果我们知道了凸点(低高低)在两处制低点的下标,那么我们就可以求当前柱子能够延申出的最大矩形

遍历第 i 列时,我们维护一个单调非递减的栈(保存下标):——1层for循环,时间复杂度O(n)
● 如果第 i 列(当前柱子)高度 ≥ 栈顶,直接压入当前柱子的下标 i
● 如果第 i 列(当前柱子)高度 < 栈顶,那么就有可能形成凸点(heights[i] 可以理解为:栈顶这个柱子右边第一次比它低的柱子)。
弹出栈顶元素top(凸的制高点,此时求解的就是栈顶这个柱子的矩形面积)后,再取一次栈顶元素left(如果存在,那么就是凸点另一侧制低点,即当前柱子左边第一次比它低的柱子位置),计算这个凸中(top)的矩形面积 = (i - left - 1) * heights[top]最后将 i 压入栈,因为它可能构成下一个凸点。\color{purple}{接雨水中我们关注于左右两边具体的高度,而本题我们只关注于左右两边的下标。}

⭕ 注意:和47. 接雨水类似的,第 0 个柱子和最后一个柱子要特别关注!
(1) 47. 接雨水中:这两处是无法蓄水的。
(2) 本题中:这两处却是可以勾勒矩形的!但是无法构成凸点,所以我们要手动构造,即在heights数组中首、尾再添加一个制低点!具体实现:[-1, heights[0], heights[1], ..., heights[len-1], -1]

class Solution {
    public int largestRectangleArea(int[] heights) {
        // 手动构造两个制低点
        int[] newHeights = new int[heights.length + 2];
        newHeights[0] = -1;
        newHeights[newHeights.length - 1] = -1;
        for(int i=1; i<newHeights.length-1; i++){
            newHeights[i] = heights[i-1];
        }

        int result = 0;
        LinkedList<Integer> stack = new LinkedList<>();
        for(int i=0; i<newHeights.length; i++){
            if(stack.isEmpty() || newHeights[stack.getLast()] <= newHeights[i]) stack.addLast(i);
            else{
                while(!stack.isEmpty() && newHeights[stack.getLast()] > newHeights[i]){
                    int curIndex = stack.removeLast();
                    if(!stack.isEmpty()){
                        result = Math.max(result, (i - stack.getLast() - 1) * newHeights[curIndex]);
                    }
                }
                stack.addLast(i);
            }
        }
        return result;
    }
}
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