LeetCode 1073. 负二进制数相加：简单算法 + 原理解析

【LetMeFly】1073.负二进制数相加

力扣题目链接：https://leetcode.cn/problems/adding-two-negabinary-numbers/

给出基数为 -2 的两个数 arr1 和 arr2，返回两数相加的结果。

数字以 数组形式 给出：数组由若干 0 和 1 组成，按最高有效位到最低有效位的顺序排列。例如，arr = [1,1,0,1] 表示数字 (-2)^3 + (-2)^2 + (-2)^0 = -3。数组形式 中的数字 arr 也同样不含前导零：即 arr == [0] 或 arr[0] == 1。

返回相同表示形式的 arr1 和 arr2 相加的结果。两数的表示形式为：不含前导零、由若干 0 和 1 组成的数组。

示例 1：

输入：arr1 = [1,1,1,1,1], arr2 = [1,0,1]
输出：[1,0,0,0,0]
解释：arr1 表示 11，arr2 表示 5，输出表示 16 。

示例 2：

输入：arr1 = [0], arr2 = [0]
输出：[0]

示例 3：

输入：arr1 = [0], arr2 = [1]
输出：[1]

提示：

• 1 <= arr1.length, arr2.length <= 1000
• arr1[i] 和 arr2[i] 都是 0 或 1
• arr1 和 arr2 都没有前导0

方法一：模拟

使用一个变量$c$来存放加法的进位。我们从最低位开始遍历两个数组，记两个数组的当前元素分别为$a$和$b$。令$x=a+b+c$。

• 若$x\ge 2$，则$x-=2,c=-1$，即逢$2$进$-1$（后面会解释）
• 若$x=-1$，则$x=1,c=1$
• 否则，$c=0$（不产生进位）

将$x$的最终值加入到答案数组中，继续处理下一位。

最终将答案数组翻转并去除前导零即可。

原因解释：

首先假设上述方法正确，因两个$0$或$1$相加的结果在$0$到$2$之间，进位$c$的范围在$-1$到$1$之间，所以$x=a+b+c$的范围在$-1$到$3$之间。

• 若$x=2$或$x=3$，因为负2进制每一位的范围是$0$到$1$，所以$x$需要进位。记进位后的数为$x_{final}$，则有$x=2+x_{final}$。

  $$\begin{array}{rl}x\times (-2{)}^i& =(2+x_{final})\times (-2{)}^i\\ & =2\times (-2{)}^i+x_{final}\times (-2{)}^i\\ & =(-1)\times (-2)\times (-2{)}^i+x_{final}\times (-2{)}^i\\ & =(-1)\times (-2{)}^{i+1}+x_{final}\times (-2{)}^i\end{array}$$
  因此，进位为$-1$，本位为$x_{final}=x-2$（在$0$到$1$的范围内）

• 若$x=-1$，同理，$x\times (-2{)}^i=(-1)\times (-2{)}^i=((1)+(-2))\times (-2{)}^i=(-2{)}^{i+1}+(-2{)}^i$，所以进位为$1$，本位为$1$
• 若$x=0$或$x=1$，则不必考虑进位（$c=0$）

完毕。

• 时间复杂度$\mathcal{O}(len(arr1)+len(arr2))$
• 空间复杂度$\mathcal{O}(1)$

AC代码

C++

class Solution {
    
    
public:
    vector<int> addNegabinary(vector<int>& arr1, vector<int>& arr2) {
    
    
        vector<int> ans;
        for (int i = arr1.size() - 1, j = arr2.size() - 1, c = 0; i >= 0 || j >= 0 || c; i--, j--) {
    
    
            int a = i >= 0 ? arr1[i] : 0;
            int b = j >= 0 ? arr2[j] : 0;
            int x = a + b + c;
            if (x >= 2) {
    
    
                x -= 2;
                c = -1;
            }
            else if (x == -1) {
    
    
                x = 1;
                c = 1;
            }
            else {
    
    
                c = 0;
            }
            ans.push_back(x);
        }
        while (ans.size() > 1 && !ans.back()) {
    
    
            ans.pop_back();
        }
        reverse(ans.begin(), ans.end());
        return ans;
    }
};

Python

# from typing import List

class Solution:
    def addNegabinary(self, arr1: List[int], arr2: List[int]) -> List[int]:
        i, j, c = len(arr1) - 1, len(arr2) - 1, 0
        ans = []
        while i >= 0 or j >= 0 or c:
            a = arr1[i] if i >= 0 else 0
            b = arr2[j] if j >= 0 else 0
            x = a + b + c
            if x >= 2:
                x -= 2
                c = -1
            elif x == -1:
                x = 1
                c = 1
            else:
                c = 0
            ans.append(x)
            i, j = i - 1, j - 1
        while len(ans) > 1 and not ans[-1]:
            ans.pop()
        ans.reverse()
        return ans

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