给出一个非负整数序列A,元素个数为N(N≤105,A[i]≤105),在有可能随时添加或删除原数的情况下,实时查询序列元素第K大,即把序列元素从小到大排序后从左到右的第K个元素。例如对序列{2,7,5,1,6}来说,此时序列第3大为5;之后插入元素4,这样序列第3大就是4;然后删除元素,于是序列第1大就是2.
如果在查询的过程中元素可能发生改变(例如插入、修改或删除),就称这种查询为在线查询;如果在查询过程中元素不发生改变,就称为离线查询。显然,上面的序列元素第K大的问题是在线查询,如果直接暴力做,在添加跟删除元素时就要有O(n)的时间复杂度来移动序列的元素,效率极其低下。事实上,序列元素第K大有很多解决方法,介绍其中较容易理解、写法也很简洁的一种做法,即分块的思想。
从字面意思理解“分块”,就是把有序元素划分为若干块。例如,可以把拥有9个元素的有序序列{1,2,4,9,12,34,56,78,87}分为3块{1,2,4}、{9,12,34}、{56,78,87}。为了达到高效率的目的,对一个有N个元素的有序序列来说,除最后一块外,其余每块中元素的个数都应当为floor(sqrt(N)),于是块数为ceil(sqrt(N))。这样就把有序序列划分为ceil(sqrt(N))块,其中每块中元素的个数不超过floor(sqrt(N))。例如对有9个元素的序列来说,就应当分为sqrt(9)=3块,其中每块中的元素个数为别为3、3、3;而对有11个元素的序列来说,就应当分为ceil(sqrt(11))=4块,其中每块中的元素个数分别为3、3、3、2。
暴力的做法由于添加和删除元素时需要O(n)的复杂度来移动元素,那么如何用分快法降低这个时间呢?考虑到序列中的元素都是不超过105的非负整数,因此不妨设置一个hash数组table数组table[100001],其中table[x]表示整数x的当前存在个数;接着,借助分块思想,从逻辑上将0~105分为ceil(√105+1)=317块,其中每块的元素个数为floor(sqrt(105+1))=316。逻辑上进行分块的结果如下:
0,1,2,……,314,315为第0块;
316,317,……,630,631为第1块。
……
99856,99857,……,100000为第316块。
定义一个统计数组block[317],其中block[i]表示第i块中存在的元素个数。于是加入要新增一个元素x,就可以先计算出x所在的块号为x / 316,然后让block[x/316]加1,表示该块中元素个数多了1;同时令table[x]加1,表示整数x的当前存在个数多了1。
例如想要新增334这个元素,就可以通过334/316=1算出元素334所在的块号为1,然后令block[1]++,表示1号块增加了一个元素,并令table[334]++,表示元素334的存在个数多了1.
同理,如果想要删除一个元素x,只需要让block[x/316]和table[x]都减1即可。显然,新增与删除元素的时间复杂度都是O(1)。
接着来看如何查询序列中第K大的元素是什么。
首先,从小到大枚举块号,利用block数组累加得到前i-1块中存在的元素总个数,然后判断加入i号块的元素个数后元素总个数能否达到K。如果能,则说明第K大的数就在当前枚举的这个块中,此时只需从小到大遍历该块中的每个元素(其中i号块的第一个元素时i*316),利用table数组继续累加元素的存在个数,指导总累计数达到K,则说明找到了序列第K大的数。显然整体思路是先用O(sqrt(N))的时间复杂度找到第K大的元素在哪一块,然后再用O(sqrt(N))的时间复杂的在块内找到这个元素,因此单次查询的总时间复杂度为O(sqrt(N))。
例如,令数据范围为0~8,那么就可以分为3块,其中0号块负责0~2,1号块负责3~5,2号块负责6~8.假设现在已经存在的元素为0,1,3,4,4,5,8,那么此时block数组与table数组的情况如下:
block[0]=2,表明0号块包含了2个元素;0,1
block[1]=4,表明1号块包含了4个元素;3,4,4,5
block[2]=1,表明2号块包含了1个元素;8
table[0]=table[1]=table[3]=table[5]=table[8]=1,表明它们各存在1个;
table[4]=2,表明元素4存在2个。
接下来查询当前序列{0,1,3,4,4,5,8}的第5大的数,即K=5。令sum表示当前已经累计存在的数的个数,初始为0。依次遍历每个块:
- 遍历到0号块时,sum+block[0]=0+1=2<5,因此第K大的数不在0号块,令sum=2。
- 遍历到1号块时,sum+block[1] = 2+4=6>5,因此第K大的数在1号块内。此时sum=2,接下来遍历1号块的每个元素,即3~5;
1)遍历到元素3时,计算sum=sum+table[3] =3<5,因此3不是第K大的数。
2)遍历到元素4时,计算sum=sum+table[4] = 5>=5,因此4是第K大的数。
因此序列中第5大的数为4。
堆栈是最基本的数据结构之一,它基于后进先出(LIFO)的原理。基本操作包括“推”(将元素插入到顶部位置)和“弹出”(删除顶部元素)。现在,您应该使用一个额外的操作来实现一个堆栈:PeekMedian-返回堆栈中所有元素的中值。用N个元素,中值定义为(N/2 -如果N是偶数,或(N+1/2 -如果N是奇数。
输入规格:
每个输入文件包含一个测试用例。对于每种情况,第一行都包含一个正整数N(≤105)。然后随后N行,每行包含以下3种格式之一的命令:
Push key
Pop
PeekMedian
其中key
是正整数不大于1.
输出规格:
对于每个Push
命令,插入key
到堆栈中,什么也不输出。对于每一个Pop
或PeekMedian
命令,则输出一条线对应的返回值。如果命令无效,请打印Invalid
。
样本输入:
17
Pop
PeekMedian
Push 3
PeekMedian
Push 2
PeekMedian
Push 1
PeekMedian
Pop
Pop
Push 5
Push 4
PeekMedian
Pop
Pop
Pop
Pop
样本输出:
Invalid
Invalid
3
2
2
1
2
4
4
5
3
Invalid