堆结构的应用

1.随时找到数据流的中位数

【题目】有一个源源不断地吐出整数的数据流,假设你有足够的空间来保存吐出的数。请设计一个名叫MedianHolder的结构,
MedianHolder可以随时取得之前吐出所有数的中位数。
【要求】

  • 如果MedianHolder已经保存了吐出的N个数,那么任意时刻
    将一个新数加入到MedianHolder的过程,其时间复杂度是
    O(logN)。
  • 取得已经吐出的N个数整体的中位数的过程,时间复杂度为
    O(1)。

【一些概念】
中位数:对于有限的数集,可以通过把所有观察值高低排序后找出正中间的一个作为中位数。
ArrayList:底层是数组结构,getIndex很快,但是remove很慢。
LinkedList:底层是双向链表结构,getIndex很慢,但是remove很快。

【解题思路】借用两个堆,一个为大根堆,一个为小根堆。希望数据排序后,前N/2的数据放入大根堆,后N/2的数据放入小根堆,那么大根堆的堆顶和小根堆的堆顶就为中位数。

【代码思路】

  • 第一个数放入大根堆;
  • 如果接下来的一个数比大根堆的堆顶小,就放入大根堆,反之放入小根堆,插入的过程就是heapInsert的过程;(实际上以什么策略进堆不重要,反正之后都要进行堆调整,用到了Java的PriorityQueue,优先级队列的底层就是堆)
  • 如果大根堆的size和小根堆的size的差值大于1,就将size大的堆顶弹出放入另一个堆中;弹出堆顶的堆的调整过程就是将size--,最后一个元素放到堆顶,然后将堆顶进行heapify过程。

【时间复杂度】heapInsert为O(logN),poll为O(logN),得到中位数为O(1)。过程中无需进行排序操作。
【堆的应用】当你需要一群数中的最大/最小值,并且最大/最小值弹出后,可以获取剩余的最大最小值,就用堆结构。

2.如何切金条最省铜板

【题目】一块金条切成两半,是需要花费和长度数值一样的铜板的。比如长度为20的金条,不管切成长度多大的两半,都要花费20个铜板。一群人想整分整块金条,怎么分最省铜板?

  • 例如,给定数组{10,20,30},代表一共三个人,整块金条长度为10+20+30=60。金条要分成10,20,30三个部分。
  • 如果,先把长度60的金条分成10和50,花费60;再把长度50的金条分成20和30,花费50;一共花费110铜板。
  • 但是如果,先把长度60的金条分成30和30,花费60;再把长度30金条分成10和20,花费30;一共花费90铜板。
  • 输入一个数组,返回分割的最小代价。

【一些概念】
贪心策略(往往只在笔试中出现):是一种在每一步选择中都采取在当前状态下最好或最优(即最有利)的选择,从而希望导致结果是最好或最优的算法。比如在【旅行推销员问题】中,如果旅行员每次都选择最近的城市,那这就是一种贪心算法。

【思路】(哈夫曼编码的应用)。将所有数加入到小根堆中,每次弹出两个栈顶,即最小的两个数,然后将两个数的和cur重新加入到小根堆中,同时sum+=cur,最后返回sum。

3.如何做项目能获取最大钱数

【题目】
输入:
参数1,正数数组costs
参数2,正数数组profits
参数3,正数k
参数4,正数m

costs[i]表示i号项目的花费
profits[i]表示i号项目在扣除花费之后还能挣到的钱(利润)
k表示你不能并行、只能串行的最多做k个项目
m表示你初始的资金

说明:你每做完一个项目,马上获得的收益,可以支持你去做下一个项目。

输出:你最后获得的最大钱数。

【解题思路】总钱数解锁你可以做的项目,然后在所有可以做的项目池中选择可以获取最大利润的项目,以此往复。
【代码思路】

  • 将所有项目节点加入cost的小根堆
  • 依次弹出小根堆堆顶,如果小于总钱数,就解锁该项目,加入到profit的大根堆
  • 然后弹出大根堆的堆顶
  • 直至大根堆为空或者做完k个项目
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