LeetCode刷题笔记85:最大矩形(Python实现)

系统 2014 0

题目描述:

给定一个仅包含 0 和 1 的二维二进制矩阵,找出只包含 1 的最大矩形,并返回其面积。

示例:

输入:
[
  ["1","0","1","0","0"],
  ["1","0","1","1","1"],
  ["1","1","1","1","1"],
  ["1","0","0","1","0"]
]
输出: 6

Solution:

参考了题解的一种方法:

动态规划 - 每个点的最大高度

想象一个算法,对于每个点我们会通过以下步骤计算一个矩形:

不断向上方遍历,直到遇到“0”,以此找到矩形的最大高度。

向左右两边扩展,直到无法容纳矩形最大高度。

我们知道,最大矩形必为用这种方式构建的矩形之一。

给定一个最大矩形,其高为 h, 左边界 l,右边界 r,在矩形的底边,区间 [l, r]内必然存在一点,其上连续1的个数(高度)<=h。若该点存在,则由于边界内的高度必能容纳h,以上述方法定义的矩形会向上延伸到高度h,再左右扩展到边界 [l, r] ,于是该矩形就是最大矩形。

若不存在这样的点,则由于[l, r]内所有的高度均大于h,可以通过延伸高度来生成更大的矩形,因此该矩形不可能最大。

综上,对于每个点,只需要计算h, l,和 r - 矩形的高,左边界和右边界。

使用动态规划,我们可以在线性时间内用上一行每个点的 h,l,和 r 计算出下一行每个点的的h,l,和r。

算法

给定一行 matrix[i],我们通过定义三个数组height,left,和 right来记录每个点的h,l,和 r。height[j] 对应matrix[i][j]的高,以此类推。

问题转化为如何更新每个数组。

Height:

这个比较容易。 h 的定义是从该点出发连续的1的个数。我们从方法二中已经学会了在一行中计算的方法:

row[j] = row[j - 1] + 1 if row[j] == '1'

只需要一点改动即可:

new_height[j] = old_height[j] + 1 if row[j] == '1' else 0

Left:

考虑哪些因素会导致矩形左边界的改变。由于当前行之上的全部0已经考虑在当前版本的left中,唯一能影响left就是在当前行遇到0。

因此我们可以定义:

new_left[j] = max(old_left[j], cur_left)

cur_left是我们遇到的最右边的0的序号加1。当我们将矩形向左 “扩展” ,我们知道,不能超过该点,否则会遇到0。

Right:

我们可以沿用 left 的思路,定义:

new_right[j] = min(old_right[j], cur_right)

cur_right 是我们遇到的最左边的0的序号。简便起见,我们不把 cur_right 减去1 (就像我们给cur_left加上1那样) ,这样我们就可以用height[j] * (right[j] - left[j]) 而非height[j] * (right[j] + 1 - left[j])来计算矩形面积。

这意味着, 严格地说 ,矩形的底边由半开半闭区间[l, r) 决定,而非闭区间 [l, r],且 right比右边界大1。尽管不这样做算法也可以正确运行,但这样会让计算看起来更简洁。

注意,为了正确的记录 cur_right,我们需要从右向左迭代。因此,更新right时需要从右向左。

一旦left,right,和 height数组能够正确更新,我们就只需要计算每个矩形的面积。

由于我们知道矩形 j的边界和高,可以简单地用height[j] * (right[j] - left[j])来计算面积,若j的面积 大于max_area,则更新之。

CODE:

            
              class Solution(object):
    def maximalRectangle(self, matrix):
        """
        :type matrix: List[List[str]]
        :rtype: int
        """
        if not matrix:return 0
        m,n = len(matrix),len(matrix[0])
        left = [0]*n
        right = [n]*n
        height = [0]*n
        maxArea = 0
        for i in range(m):
            curleft = 0
            curright = n
            for j in range(n):
                if matrix[i][j] == '1':
                    height[j] = height[j]+1
                else:height[j] = 0
            for j in range(n):
                if matrix[i][j] == '1':
                    left[j] = max(left[j],curleft)
                else:
                    left[j] = 0
                    curleft = j + 1
            for j in range(n-1,-1,-1):
                if matrix[i][j] == '1':
                    right[j] = min(right[j],curright)
                else:
                    right[j] = n
                    curright = j
            for j in range(n):
                maxArea = max(maxArea,height[j]*(right[j]-left[j]))
        return maxArea
            
        
        
        
            
          

复杂度分析*

    时间复杂度 : O(NM)。每次对于N的迭代我们会对M迭代常数次。

    空间复杂度 : O(M), M 是我们保留的额外数组的长度。


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