算法学习笔记:2.大根堆算法——数据流的中位数or最后一块石头的重量

发布于:2025-06-13 ⋅ 阅读:(16) ⋅ 点赞:(0)

1046.最后一块石头的重量

题目描述:

题目解析:

  • 题意就是让我们拿出提供的数组的最大两个值,大减小作差,将差值再放入数组,直到数组空了或者只有一个元素为止。

解题思路:

  • 题目要求我们在一个乱序的数组中找最大两个值,我们首先想到数组排序,但是由于我们还需要将差值放入数组,我们放一次就需要排序一次。
  • 使用优先级队列,大根堆,开销会小一些,我们只需要每次拿堆顶元素即可。

算法代码:

  public int lastStoneWeight(int[] stones) {
        //创建大根堆
        PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<>(
                (a,b) -> b - a
        );
        //入堆
        for(int i = 0; i < stones.length; i++)
            queue.offer(stones[i]);
        //执行逻辑
        while(!queue.isEmpty() && queue.size() != 1) {
            int y = queue.poll();
            int x = queue.poll();
            queue.offer(y-x);
        }
        //返回值
        return queue.isEmpty() ? 0 : queue.poll();
    }

295. 数据流的中位数

题目描述:

就是让我们实现一个类,有初始化,添加元素(每次添加一个),查看元素中位数


题目解析:

  • 我们只需要每次拿取类中的元素的时候,能够直接拿到中位数即可。
  • 我们可以使用两个堆,小根堆记录数的中位数之后的部分,大根堆记录中位数的前半部分。
  • 这样当元素个数是偶数个的时候,我们直接拿到两个堆的堆顶元素即可。为奇数个元素的时候,直接取出堆元素多的那个的堆顶元素即可。

解题思路:

  • 双堆法动态维护中位数的插入逻辑拆解

    在处理动态数据的中位数时,常用「双堆配合」的技巧:一个 大根堆(堆顶是堆内最大数)和一个 小根堆(堆顶是堆内最小数),同时记录当前总元素个数。下面用最白话的方式,拆解插入新数据时的核心规则!

    一、双堆分工:“左半” 和 “右半” 的容器

  • 大根堆:存 “左半部分” 数据(可以理解为较小的一批数,堆顶是左半的最大值)。
  • 小根堆:存 “右半部分” 数据(较大的一批数,堆顶是右半的最小值)。
  • 核心目标:通过调整两堆的元素数量,让中位数能快速计算(奇数时取大根堆顶,偶数时取两堆顶的平均值)。

四、总结:规则绕,但逻辑通

这些规则看似复杂,核心只有一个:通过调整两堆的元素,维持 “偶数相等,奇数大根堆多 1” 的数量关系,让中位数能快速获取

三、插入后总数为奇数?让大根堆多 1 个

当插入新数后,总元素个数是奇数(比如原本 4 个,插入后 5 个),需要让 大根堆比小根堆多 1 个(这样中位数就是大根堆顶)。规则很简单:


新数比大根堆顶大:丢进小根堆(归到右半部分,不影响大根堆多 1 的结构)。 新数比大根堆顶小:丢进大根堆(归到左半部分,让大根堆数量 + 1,保持多 1 的状态)。

场景 2:新数比大根堆顶小(属于左半部分)

新数比左半的最大值还小,归到左半部分。同样看两堆数量:
若大根堆元素比小根堆多:先把大根堆顶(左半最大值)移到小根堆,再把新数丢进大根堆(大根堆数量不变,小根堆数量 + 1,最终两堆相等)。 若大根堆元素比小根堆少:直接把新数丢进大根堆(大根堆数量 + 1,最终两堆相等)。

二、插入后总数为偶数?平衡两堆数量

当插入新数后,总元素个数是偶数(比如原本 3 个,插入后 4 个),需要让两堆的元素数量 相等(这样中位数是两堆顶的平均数)。此时分两种场景:

场景 1:新数比大根堆顶大(属于右半部分)

新数比左半的最大值还大,自然归到右半部分。这时看两堆当前数量:


若大根堆元素比小根堆多:直接把新数丢进小根堆(大根堆原本多 1,丢进小根堆后,两堆数量相等)。 若大根堆元素比小根堆少:把小根堆顶(右半最小值)和新数比较,谁小就丢进大根堆,剩下的丢回小根堆(调整后两堆数量相等)。

解题代码:

//时间复杂度:O(LogN)
//空间复杂度:O(N)
class MedianFinder {
    //列表中元素个数
    int n = 0;
    //大根堆记录前半部分值
    PriorityQueue<Integer> big;
    //小根堆记录后半部分值
    PriorityQueue<Integer> little;


    public MedianFinder() {
        big = new PriorityQueue<>((a,b) ->{
            return b-a;
        });
        little = new PriorityQueue<>();
    }
    
    public void addNum(int num) {
        n += 1;
        if(n == 1 ) {
            big.offer(num);
            return;
        }
        //元素个数为偶数,比前面的大
        if(n % 2 == 0 && big.peek() <= num) {
            //保持前后数据平衡
            if(big.size() < little.size()) {
                //比后面小
                if(!little.isEmpty() && little.peek() >= num) {
                    big.offer(num);
                }else {
                    int tmp = little.poll();
                    big.offer(tmp);
                    little.offer(num);
                }
            }else {
                little.offer(num);
            }
            return;
        } 
         //元素个数为偶数,比前面的小
        if(n % 2 == 0 && big.peek() > num) {
            //保持前后数据平衡
            if(big.size() < little.size()) {
                big.offer(num);
            }else {
                int tmp = big.poll();
                big.offer(num);
                little.offer(tmp);

            }
            return;
        } 
         //元素个数为奇数,比前面小
         if(n % 2 != 0 && big.peek() >= num) {
            big.offer(num);
         } else {
            little.offer(num);
         }
    }
    
    public double findMedian() {
        if(n % 2 == 0) {
                return (double)((big.peek() + little.peek())/ 2.0);
        }
        if(big.size() > little.size()) {
             return big.peek();
        } else {
            return little.peek();
        }
        
    }
}