【面试高频题】值得仔细推敲的贪心及其证明
【面试高频题】值得仔细推敲的贪心及其证明
题目描述
这是 LeetCode 上的「1846. 减小和重新排列数组后的最大元素」，难度为 「中等」。
Tag : 「贪心」
给你一个正整数数组 arr。
请你对 arr 执行一些操作（也可以不进行任何操作），使得数组满足以下条件：
arr中 第一个 元素必须为
- 任意相邻两个元素的差的绝对值小于等于
对于任意的
，都满足 abs(arr[i]-arr[i-1])<=1，abs(x) 为 x 的绝对值。
你可以执行以下
种操作任意次：
- 减小
arr中任意元素的值，使其变为一个更小的正整数 - 重新排列
arr中的元素，你可以以任意顺序重新排列
请你返回执行以上操作后，在满足前文所述的条件下，arr 中可能的最大值。
示例 1：
输入：arr = [2,2,1,2,1]
输出：2
解释：
我们可以重新排列 arr 得到 [1,2,2,2,1] ，该数组满足所有条件。
arr 中最大元素为 2 。
示例 2：
输入：arr = [100,1,1000]
输出：3
解释：
一个可行的方案如下：
1. 重新排列 arr 得到 [1,100,1000] 。
2. 将第二个元素减小为 2 。
3. 将第三个元素减小为 3 。
现在 arr = [1,2,3] ，满足所有条件。
arr 中最大元素为 3 。
示例 3：
输入：arr = [1,2,3,4,5]
输出：5
解释：数组已经满足所有条件，最大元素为 5 。
提示：
基本分析 & 证明
根据题意，数组的第一位必须是
，且每个数只能 「减小」 或 「不变」，数值位置可以任意调整。
求解经过调整后，符合要求的数组中的最大值是多少。
首先符合条件的数组相邻位差值绝对值不超过
，这限定了数组的必然是如下三种分布之一：
- （非严格）单调递减
- 存在波段
- （非严格）单调递增
证明一：取得最优解对应的数组「必然是」或者「可调整为」（非严格）单调递增的形式。
我们使用反证法来证明另外两种分布不能取得最优解：
- （非严格）单调递减：题目限定了数的范围为正整数，且第一位为
，这种情况不用讨论了，跳过；
- 存在波段：我们始终可以将波峰的右侧出现的值，纳入到波峰的左侧，从而消掉这个波峰，最终将整个分布调整为「（非严格）单调递增」的形式，结果不会变差：
多个波段的情况也是同理，可以自己在纸上画画。
都是利用 波峰右侧的点可以调整成波峰左侧的点，从而使分布变为（非严格）单调递增。
至此，我们证明了最优解对应的数组必然符合（非严格）单调递增。
这启发我们可以先对原数组排个序，在此基础上进行分析。
对原数组排序得到的有序数组，不一定是符合「相邻位差值绝对值不超过
」的，同时由于每个数值可以选择 「减小」 或 「不变」。
证明二：当必须要对当前位进行调整的时，优先选择调整为「与前一值差值为
的较大数」不会比调整为「与前一差值为
的较小数」更差。
这可以使用归纳推理，假设采取「优先调整为与前一值差值为
的较大数」得到的序列为 a，采用「优先调整与前一差值为
的较小数」得到的序列为 b。
根据「
」、「a 和 b 长度一致」、「a 和 b 均为（非严格）单调递增」以及「a 和 b 均满足相邻位差值不超过
」，可推导出
，和任意位置
，从而推导出 a 序列的最后一位必然大于等于 b 的最后一位。
即 b 不会比 a 更优。
证明三：调整大小的操作不会改变数组元素之间的相对位置关系。
在证明二的分析中，我们会对某些元素进行“减小”操作，使得整个数组最终满足「相邻位差值绝对值不超过
」。
但该证明成立的还有一个很重要的前提条件，就是调整操作不会出发元素的位置重排。
那么该前提条件是否必然成立呢？答案是必然成立。
假设原排序数组中存在需要调整的点
和点
，且
。
为了让数组满足条件，它们都进行了“减少”操作的调整，分别变为了
和
，如果触发位置重排的话，必然有
。
此时，我们能够通过调整它们的变化关系：点
变为点
、点
变成点
来确保同样满足条件，且不触发元素在有序数组中的位置重排。
贪心
排序，限定第一位值为
，从前往后处理，根据每一位是否「必须修改（与上一位差值是否大于
）」做决策，如果必须被修改，则修改为与前一值差值为
的较大数。
代码：
class Solution {
public int maximumElementAfterDecrementingAndRearranging(int[] arr) {
int n = arr.length;
Arrays.sort(arr);
arr[0] = 1;
for (int i = 1; i < n; i++) {
if (arr[i] - arr[i - 1] > 1) {
arr[i] = arr[i - 1] + 1;
}
}
return arr[n - 1];
}
}
- 时间复杂度：假定
Arrays.sort使用的是双轴快排实现。复杂度为
- 空间复杂度：假定
Arrays.sort使用的是双轴快排实现。复杂度为