Thursday, February 13, 2014

k sum problem (k 个数的求和问题)

问题陈述:

在一个数组,从中找出k个数(每个数不能重复取。数组中同一个值有多个,可以取多个),使得和为零。找出所有这样的组合,要求没有重复项(只要值不同即可,不要求在原数组中的index不同)

解法:

2 sum 用hash table做,可以时间O(n),空间O(n),
2 sum 如果用sort以后,在前后扫描,可以时间O(nlogn + n) = O(nlogn),空间O(1)
2 sum 用hash table做的好处是快,但是等于是利用了不用排序的特点。排序的办法,在高维度(也就是k sum问题,k>2)的时候,nlogn就不是主要的时间消耗成分,也就更适合2sum的sort后双指针扫描查找的办法。

那么,对于k sum, k>2的,如果用sort的话, 可以 对 n-2的数做嵌套循环,因为已经sort过了,最后剩下的两维用2 sum的第二个办法, 时间是O(nlogn + n^(k-2) * n) = O(n^(n-1)),空间O(1)。 但是这样跟纯嵌套循环没有什么区别,只是最后一层少了一个因子n。有什么办法能优化?
就是说,对于 k sum (k>2) 问题 (一个size为n的array, 查找k个数的一个tuple,满足总和sum为0), 有没有时间复杂度在O(n^(k-2))的办法?

之前常规的一层一层剥离,n的次数是递增的。只有在最后一层,还有两个维度的时候,时间开销上减少一个n的因子,但是这样时间开销还是太多

我们可以通过对问题分解来解决
举个例子
...-5,-4,-3,-2,-1, 0,1, 2, 3, 4, 5.... 要找 4 sum = 0
那么先分解
4 分成 2 sum + 2 sum 来解决,但是这里的子问题2 sum没有sum=0的要求,是保留任何中间值。只有当子问题的2 sum解决以后,回归原问题的时候,我们才又回归原始的2 sum问题,这时候sum=0
子问题,空间和时间消耗,都是O(n^2)
回归大问题,时间消耗,是O(n^2)

假设k sum中  k = 2^m, 那么一共有m层,会有m次分解
分解到最底层,时间空间消耗 从 原始O(n)变为新的O(n^2)
分解到次底层,时间空间消耗 从 O(n^2)变为新的O((n^2)^2)
...
到达最顶层,时间空间消耗就都变成了O(n^(2*m)) = O(n^(2logk))

和之前的方法O(n^(k-1))相比,O(n^(2logk))的时间是少了很多,但是空间消耗却很大。
因为子问题无法确定把哪一个中间结果留下,那么就需要把子问题的结果全部返回,到最后,空间消耗就很大了。整体效果算是空间换时间吧。

通过 问题的分解 + hashtable的运用,能明显减少时间消耗, 但是空间消耗变大是个问题。比如说,如果有10^6的int类型数组,我如果用这个hashtable的办法,就要有10^12的pair,这就有10T以上的空间消耗。

问题的分解是个很好的思路,但是中间值得保留迫使空间消耗增大,这和用不用hashtable倒没有很大关系,只是说,如果不用hashtable,时间消耗会更大。





另外,还有一些题目的变形,比如如果要求所有组合,满足
sum < k,
sum = k,
sum > k,
或者是 closest to k
遇到这些变形的时候,hashtable的做法就显得乏力了,但是嵌套循环的方式却仍是可行的。尤其是对closest to k这种非确定性的要求。

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