⭐算法入门⭐《堆》中等01 —— LeetCode 面试题 17.09. 第 k 个数

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了⭐算法入门⭐《堆》中等01 —— LeetCode 面试题 17.09. 第 k 个数相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

一、题目

1、题目描述

  有些数的素因子只有 3,5,7,请设计一个算法找出第 k 个数。注意,不是必须有这些素因子,而是必须不包含其他的素因子。例如,前几个数按顺序应该是 1,3,5,7,9,15,21。
  样例输入: k = 5
  样例输出: 9

2、基础框架

  • C语言 版本给出的基础框架代码如下:
int getKthMagicNumber(int k){}

3、原题链接

面试题 17.09. 第 k 个数

二、解题报告

1、思路分析

  初始情况下只有一个 1,然后将它入堆。这时候,堆顶元素就是第 1 个素因子只有 3、5、7 的数,将这个数乘上 3、乘上 5、乘上 7 的三个数塞入堆中,继续弹出下一个数,每弹出一个,就塞入三个,相当于一次操作多两个数,直到第 k k k 个数结束。

2、时间复杂度

  将所有元素塞入堆的过程就是最坏时间复杂度,为 O ( k l o g 2 k ) O(klog_2k) O(klog2k)

3、代码详解


/**********************************小顶堆模板************************************/
#define lson(idx) (idx << 1|1)
#define rson(idx) ((idx + 1) << 1)
#define parent(idx) ((idx - 1) >> 1)
#define root 0
#define DataType long long

// -1 和 1 交换,就变成了大顶堆
int compareData(const DataType* a, const DataType* b) {
    if(*a < *b) {
        return -1;
    }else if(*a > *b) {
        return 1;
    }
    return 0;
}
void swap(DataType* a, DataType* b) {
    DataType tmp = *a;
    *a = *b;
    *b = tmp;
}

typedef struct {
    DataType *data;
    int size;
    int capacity;
}Heap;

// 内部接口,小写驼峰

// heapShiftDown 这个接口是一个内部接口,所以用小写驼峰区分,用于对堆中元素进行删除的时候的下沉调整;
void heapShiftDown(Heap* heap, int curr) {
    int son = lson(curr);

    while(son < heap->size) {
        if( rson(curr) < heap->size ) {
            if( compareData( &heap->data[rson(curr)], &heap->data[son] ) < 0 ) {
                son = rson(curr);                        // 始终选择值更小的结点
            }        
        }
        if( compareData( &heap->data[son], &heap->data[curr] ) < 0 ) {
            swap(&heap->data[son], &heap->data[curr]);   // 子结点的值小于父结点,则执行交换;
            curr = son;
            son = lson(curr);
        }else {
            break;                                       // 子结点的值大于父结点,说明已经正确归位,下沉操作结束,跳出循环;
        }
    }
}

// heapShiftUp 这个接口是一个内部接口,所以用小写驼峰区分,用于对堆中元素进行插入的时候的上浮调整;
void heapShiftUp(Heap* heap, int curr) {
    int par = parent(curr);
    while(par >= root) {
        if( compareData( &heap->data[curr], &heap->data[par] ) < 0 ) {
            swap(&heap->data[curr], &heap->data[par]);   // 子结点的值小于父结点,则执行交换;
            curr = par;
            par = parent(curr);
        }else {
            break;                                       // 子结点的值大于父结点,说明已经正确归位,上浮操作结束,跳出循环;
        }
    }
}

bool heapIsFull(Heap *heap) {
    return heap->size == heap->capacity;
}

// 外部接口,大写驼峰

// 堆的判空
bool HeapIsEmpty(Heap *heap) {
    return heap->size == 0;
}

// 堆的插入
// 插到最后一个位置,然后不断进行上浮操作
bool HeapPush(Heap* heap, DataType data) {
    if( heapIsFull(heap) ) {
        return false;
    }
    heap->data[ heap->size++ ] = data;
    heapShiftUp(heap, heap->size-1);
    return true;
}


// 堆的删除
// 1、删除堆顶元素时,将堆底部的下标最大的元素放入对顶;
// 2、然后调用 shiftDown 将这个元素进行下沉操作;
// 对于小顶堆来说,从根到叶子的路径必然是单调不降的,所以下沉操作一定会终止在路径的某个点,并且保证所有的堆路径还是能够维持单调不降;
bool HeapPop(Heap *heap) {
    if(HeapIsEmpty(heap)) {
        return false;
    }
    heap->data[root] = heap->data[ --heap->size ];
    heapShiftDown(heap, root);
    return true;
}

DataType HeapTop(Heap *heap) {
    assert(!HeapIsEmpty(heap));
    return heap->data[root];
}

// 创建堆
Heap* HeapCreate(DataType *data, int dataSize, int maxSize) {
    int i;
    Heap *h = (Heap *)malloc( sizeof(Heap) );
    
    h->data = (DataType *)malloc( sizeof(DataType) * maxSize );
    h->size = 0;
    h->capacity = maxSize;

    for(i = 0; i < dataSize; ++i) {
        HeapPush(h, data[i]);
    }
    return h;
}

// 销毁堆
void HeapFree(Heap *heap) {
    free(heap->data);
    free(heap);
}

/**********************************小顶堆模板************************************/

DataType d[1000001];

void PushValue(Heap *h, long long v) {          // (1)
    if(v < (long long)1<<32)
        HeapPush(h, v);
    else
        HeapPush(h, ((long long)1<<32) - 1);    
}

int getKthMagicNumber(int k){
    Heap *h = HeapCreate(NULL, 0, 30000);       // (2)
    DataType val;
    HeapPush(h, 1);                             // (3)
    while(k--) {
        val = HeapTop(h);                       // (4)
        HeapPop(h);
        
        while(!HeapIsEmpty(h)) {                // (5)
            if(HeapTop(h) == val) {
                HeapPop(h);
            }else {
                break;
            }
        }

        if(k == 0) {
            HeapFree(h);
            return val;                        // (6)
        }
        PushValue(h, (long long)val * 3);      // (7)
        PushValue(h, (long long)val * 5);      // (8)
        PushValue(h, (long long)val * 7);      // (9)
    }
    return 0;
}
  • ( 1 ) (1) (1) 这个接口代表往堆中插入一个数 v v v,如果 v v v 超过 INT32 范围,则插入 INT32 的最大值;
  • ( 2 ) (2) (2) 创建一个空堆;
  • ( 3 ) (3) (3) 往堆中插入初始元素 1;
  • ( 4 ) (4) (4) 去除对顶元素;
  • ( 5 ) (5) (5) 去重;
  • ( 6 ) (6) (6) 当取到第 k k k 个不同元素时返回;
  • ( 7 ) (7) (7) 往堆中插入 val * 3;
  • ( 8 ) (8) (8) 往堆中插入 val * 5;
  • ( 9 ) (9) (9) 往堆中插入 val * 7;

三、本题小知识

  堆 是一棵完全二叉树。


四、加群须知

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