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lucifer committed Jan 21, 2021
1 parent 5f91eda commit 64d5909
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- [1255. 得分最高的单词集合](./problems/1255.maximum-score-words-formed-by-letters.md)
- [1345. 跳跃游戏 IV](./problems/1435.jump-game-iv.md)
- [1449. 数位成本和为目标值的最大数字](./problems/1449.form-largest-integer-with-digits-that-add-up-to-target.md) 🆕
- [1526. 形成目标数组的子数组最少增加次数](./problems/1526.minimum-number-of-increments-on-subarrays-to-form-a-target-array.md) 🆕
- [1649. 通过指令创建有序数组](./problems/1649.create-sorted-array-through-instructions.md) 🆕
- [1707. 与数组中元素的最大异或值](./problems/5640.maximum-xor-with-an-element-from-array.md) 🆕

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## 题目地址(1526. 形成目标数组的子数组最少增加次数)

https://leetcode-cn.com/problems/minimum-number-of-increments-on-subarrays-to-form-a-target-array/

## 题目描述

```
给你一个整数数组 target 和一个数组 initial ,initial 数组与 target  数组有同样的维度,且一开始全部为 0 。
请你返回从 initial 得到  target 的最少操作次数,每次操作需遵循以下规则:
在 initial 中选择 任意 子数组,并将子数组中每个元素增加 1 。
答案保证在 32 位有符号整数以内。
 
示例 1:
输入:target = [1,2,3,2,1]
输出:3
解释:我们需要至少 3 次操作从 intial 数组得到 target 数组。
[0,0,0,0,0] 将下标为 0 到 4 的元素(包含二者)加 1 。
[1,1,1,1,1] 将下标为 1 到 3 的元素(包含二者)加 1 。
[1,2,2,2,1] 将下表为 2 的元素增加 1 。
[1,2,3,2,1] 得到了目标数组。
示例 2:
输入:target = [3,1,1,2]
输出:4
解释:(initial)[0,0,0,0] -> [1,1,1,1] -> [1,1,1,2] -> [2,1,1,2] -> [3,1,1,2] (target) 。
示例 3:
输入:target = [3,1,5,4,2]
输出:7
解释:(initial)[0,0,0,0,0] -> [1,1,1,1,1] -> [2,1,1,1,1] -> [3,1,1,1,1]
-> [3,1,2,2,2] -> [3,1,3,3,2] -> [3,1,4,4,2] -> [3,1,5,4,2] (target)。
示例 4:
输入:target = [1,1,1,1]
输出:1
 
提示:
1 <= target.length <= 10^5
1 <= target[i] <= 10^5
```

## 前置知识

- 差分与前缀和

## 公司

- 暂无

## 思路

首先我们要有前缀和以及查分的知识。这里简单讲述一下:

- 前缀和 pres:对于一个数组 A [1,2,3,4],它的前缀和就是 [1,1+2,1+2+3,1+2+3+4],也就是 [1,3,6,10],也就是说前缀和 $pres[i] =\sum_{n=0}^{n=i}A[i]$
- 差分数组 d:对于一个数组 A [1,2,3,4],它的差分数组就是 [1,2-1,3-2,4-3],也就是 [1,1,1,1],也就是说差分数组 $d[i] = A[i] - A[i-1](i > 0)$,$d[i] = A[i](i == 0)$

前缀和与差分数组互为逆运算。如何理解呢?这里的原因在于你对 A 的差分数组 d 求前缀和就是数组 A。前缀和对于求区间和有重大意义。而差分数组通常用于**先对数组的若干区间执行若干次增加或者减少操作**。仔细看这道题不就是**对数组若干区间执行 n 次增加操作**,让你返回从一个数组到另外一个数组的最少操作次数么?差分数组对两个数字的操作等价于原始数组区间操作,这样时间复杂度大大降低 O(N) -> O(1)。

题目要求**返回从 initial  得到   target  的最少操作次数**。这道题我们可以逆向思考**返回从 target  得到  initial   的最少操作次数**

这有什么区别么?对问题求解有什么帮助?由于  initial 是全为 0 的数组,如果将其作为最终搜索状态则不需要对状态进行额外的判断。这句话可能比较难以理解,我举个例子你就懂了。比如我不反向思考,那么初始状态就是 initial ,最终搜索状态自然是 target ,假如我们现在搜索到一个状态 state.我们需要**逐个判断 state[i] 是否等于 target[i]**,如果全部都相等则说明搜索到了 target ,否则没有搜索到,我们继续搜索。而如果我们从 target  开始搜,最终状态就是  initial,我们只需要判断每一位是否都是 0 就好了。 这算是搜索问题的常用套路。

上面讲到了对差分数组求前缀和可以还原原数组,这是差分数组的性质决定的。这里还有一个特点是**如果差分数组是全 0 数组,比如[0, 0, 0, 0],那么原数组也是[0, 0, 0, 0]**。因此将 target 的差分数组 d 变更为 全为 0 的数组就等价于 target 变更为 initaial。

如何将 target 变更为 initaial?

由于我们是反向操作,也就是说我们可执行的操作是 **-1**,反映在差分数组上就是在 d 的左端点 -1,右端点(可选)+1。如果没有对应的右端点+1 也是可以的。这相当于给原始数组的 [i,n-1] +1,其中 n 为 A 的长度。

如下是一种将 [3, -2, 0, 1] 变更为 [0, 0, 0, 0] 的可能序列。

```
[3, -2, 0, 1] -> [**2**, **-1**, 0, 1] -> [**1**, **0**, 0, 1] -> [**0**, 0, 0, 1] -> [0, 0, 0, **0**]
```

可以看出,上面需要进行四次区间操作,因此我们需要返回 4。

至此,我们的算法就比较明了了。

具体算法:

- 对 A 计算差分数组 d
- 遍历差分数组 d,对 d 中 大于 0 的求和。该和就是答案。

```py
class Solution:
def minNumberOperations(self, A: List[int]) -> int:
d = [A[0]]
ans = 0

for i in range(1, len(A)):
d.append(A[i] - A[i-1])
for a in d:
ans += max(0, a)
return ans
```

**复杂度分析**
令 N 为数组长度。

- 时间复杂度:$O(N)$
- 空间复杂度:$O(N)$

实际上,我们没有必要真实地计算差分数组 d,而是边遍历边求,也不需要对 d 进行存储。具体见下方代码区。

## 关键点

- 逆向思考
- 使用差分减少时间复杂度

## 代码

代码支持:Python3

```python
class Solution:
def minNumberOperations(self, A: List[int]) -> int:
ans = A[0]
for i in range(1, len(A)):
ans += max(0, A[i] - A[i-1])
return ans
```

**复杂度分析**
令 N 为数组长度。

- 时间复杂度:$O(N)$
- 空间复杂度:$O(1)$

## 扩展

如果题目改为:给你一个数组 nums,以及 size 和 K。 其中 size 指的是你不能对区间大小为 size 的子数组执行+1 操作,而不是上面题目的**任意**子数组。K 指的是你只能进行 K 次 +1 操作,而不是上面题目的任意次。题目让你求的是**经过这样的 k 次+1 操作,数组 nums 的最小值最大可以达到多少**

比如:

```
输入:
nums = [1, 4, 1, 1, 6]
size = 3
k = 2
解释:
将 [1, 4, 1] +1 得到 [2, 5, 2, 1, 6] ,对 [5, 2, 1] +1 得到 [2, 6, 3, 2, 6].
```

解决问题的关键有两点:

- 定义函数 possible(target),其功能是**在 K 步之内,每次都只能对 size 大小的子数组+1,是否可以满足数组的最小值>=target**
- 有了上面的铺垫。我们要找的其实就是满足 possible(target) 的最大的 target。

这里有个关键点,那就是

- 如果 possible(target)为 true。那么 target 以下的都不用看了,肯定都满足。
- 如果 possible(target)为 false。那么 target 以上的都不用看了,肯定都满足。

也就是说无论如何我们都能将解空间缩小一半,这提示我们使用二分法。结合前面的知识”我们要找的其实就是满足 possible(target) 的最大的 target“,可知道应该使用**最右二分**,如果对最右二分不熟悉的可以看下[二分讲义](https://github.com/azl397985856/leetcode/blob/master/91/binary-search.md)

参考代码:

```py
class Solution:
def solve(self, A, size, K):
N = len(A)

def possible(target):
# 差分数组 d
d = [0] * N
moves = a = 0
for i in range(N):
# a 相当于差分数组 d 的前缀和
a += d[i]
# 当前值和 target 的差距
delta = target - (A[i] + a)
# 大于 0 表示不到 target,我们必须需要进行 +1 操作
if delta > 0:
moves += delta
# 更新前缀和
a += delta
# 如果 i + size >= N 对应我上面提到的只修改左端点,不修改右端点的情况
if i + size < N:
d[i + size] -= delta
# 执行的+1操作小于等于K 说明可行
return moves <= K
# 定义解空间
lo, hi = min(A), max(A) + K
# 最右二分模板
while lo <= hi:
mi = (lo + hi) // 2
if possible(mi):
lo = mi + 1
else:
hi = mi - 1
return hi
```

更多题解可以访问我的 LeetCode 题解仓库:https://github.com/azl397985856/leetcode 。 目前已经 37K star 啦。

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