突破算法迷宫：精选50道-算法刷题指南

企业开发 2023-10-03 04:38:16 阅读次数: 0

前言

在计算机科学和编程领域，算法和数据结构是基础的概念，无论你是一名初学者还是有经验的开发者，都需要掌握它们。本文将带你深入了解一系列常见的算法和数据结构问题，包括二分查找、滑动窗口、链表、二叉树、TopK、设计题、动态规划等。我们将针对每个问题提供解释和代码示例，以帮助你更好地理解和应用这些概念。
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LeetCode专栏

文章目录

相关题型

  1. 二分查找

  2. 滑动窗口

  3. 数组

  4. 链表

  5. 二叉树

  6. TopK

  7. 设计题

  8. 动态规划

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  9. 其他

  10. 系列题

基础知识回顾

1. 二分查找

算法原理

二分查找是一种高效的搜索算法，适用于有序数组。其原理基于不断缩小搜索范围的思想。步骤如下：

  1. 确定搜索范围的左边界 left 和右边界 right。
  2. 计算中间元素的索引 mid，并获取中间元素的值 mid_value。
  3. 如果 mid_value 等于目标值，则返回 mid。
  4. 如果 mid_value 大于目标值，则将 right 更新为 mid - 1，缩小搜索范围到左半部分。
  5. 如果 mid_value 小于目标值，则将 left 更新为 mid + 1，缩小搜索范围到右半部分。
  6. 重复步骤 2 到 5，直到找到目标值或搜索范围为空。
实现示例

以下是二分查找的示例代码（Python）：

def binary_search(nums, target):
    left, right = 0, len(nums) - 1
    
    while left <= right:
        mid = left + (right - left) // 2
        mid_value = nums[mid]
        
        if mid_value == target:
            return mid
        elif mid_value > target:
            right = mid - 1
        else:
            left = mid + 1
    
    return -1  # 目标值不存在

# 示例用法
nums = [1, 3, 5, 7, 9]
target = 5
result = binary_search(nums, target)
if result != -1:
    print(f"目标值 {
      
      target} 在索引 {
      
      result} 处找到。")
else:
    print("目标值不存在。")

2. 滑动窗口

滑动窗口的基本概念

滑动窗口算法是一种用于处理连续子数组或子字符串的问题的有效方法。它通过维护一个可变大小的窗口来在数据流中移动，并执行相关操作。

滑动窗口的最大值问题

滑动窗口的最大值问题是在给定一个数组和一个固定大小的窗口，找到每个窗口在数组中的最大值。这可以通过双端队列（deque）来实现，保持队列中的元素按降序排列。

from collections import deque

def max_sliding_window(nums, k):
    result = []
    window = deque()

    for i, num in enumerate(nums):
        # 移除窗口左侧超出窗口大小的元素
        while window and window[0] < i - k + 1:
            window.popleft()

        # 从窗口右侧移除所有小于当前元素的元素
        while window and nums[window[-1]] < num:
            window.pop()

        window.append(i)

        # 当窗口达到大小k时，将最大值加入结果列表
        if i >= k - 1:
            result.append(nums[window[0]])

    return result

# 示例用法
nums = [1, 3, -1, -3, 5, 3, 6, 7]
k = 3
result = max_sliding_window(nums, k)
print(result)  # 输出：[3, 3, 5, 5, 6, 7]
滑动窗口的中位数问题

在滑动窗口中找到中位数需要维护一个有序数据结构，例如平衡二叉搜索树（AVL树）或两个堆（最大堆和最小堆）。通过将数据分为两半，分别存储在两个堆中，可以在O(1)时间内找到中位数。

import heapq

class MedianFinder:
    def __init__(self):
        self.min_heap = []  # 存储较大一半的元素
        self.max_heap = []  # 存储较小一半的元素

    def addNum(self, num):
        if not self.max_heap or num <= -self.max_heap[0]:
            heapq.heappush(self.max_heap, -num)
        else:
            heapq.heappush(self.min_heap, num)

        # 保持两个堆的大小平衡
        if len(self.max_heap) > len(self.min_heap) + 1:
            heapq.heappush(self.min_heap, -heapq.heappop(self.max_heap))
        elif len(self.min_heap) > len(self.max_heap):
            heapq.heappush(self.max_heap, -heapq.heappop(self.min_heap))

    def findMedian(self):
        if len(self.max_heap) == len(self.min_heap):
            return (-self.max_heap[0] + self.min_heap[0]) / 2.0
        else:
            return -self.max_heap[0]

# 示例用法
median_finder = MedianFinder()
median_finder.addNum(1)
median_finder.addNum(2)
median_finder.addNum(3)
median = median_finder.findMedian()
print(median)  # 输出：2.0

1- 有序列表解法

from sortedcontainers import SortedList

class Solution:
    def medianSlidingWindow(self, nums: List[int], k: int) -> List[float]:
        res = []  # 存放结果的列表
        m = SortedList()  # 使用SortedList维护窗口内的元素

        for i, num in enumerate(nums):
            if i >= k:
                m.remove(nums[i - k])  # 移除窗口最左侧的元素

            m.add(num)  # 将新元素添加到窗口

            if i - k + 1 >= 0:
                if not k % 2:
                    # 如果窗口大小为偶数，计算中位数并添加到结果
                    res.append((m[len(m) // 2 - 1] + m[len(m) // 2]) / 2)
                else:
                    # 如果窗口大小为奇数，直接添加中位数到结果
                    res.append(m[len(m) // 2])

        return res

from sortedcontainers import SortedList

class Solution:
    def medianSlidingWindow(self, nums: List[int], k: int) -> List[float]:
        result = []
        window = SortedList(nums[:k])  # 使用SortedList维护窗口内的元素

        for i in range(k, len(nums)):
            # 计算中位数并添加到结果集
            median = (window[k // 2] + window[(k - 1) // 2]) / 2.0
            result.append(median)

            window.add(nums[i])  # 将新元素添加到窗口
            window.remove(nums[i - k])  # 移除窗口最左侧的元素

        # 处理最后一个窗口
        median = (window[k // 2] + window[(k - 1) // 2]) / 2.0
        result.append(median)

        return result

2- 堆解法

import heapq

class Solution:
    def medianSlidingWindow(self, nums: List[int], k: int) -> List[float]:
        if k == 1:
            return [float(num) for num in nums]  # 如果窗口大小为1，直接返回每个元素的浮点数形式的列表

        res = []  # 存储中位数的结果列表
        mid_cnt = k // 2  # 窗口的中位数索引

        # 初始化两个堆，info1用于存储较大一半的元素（负值），info2用于存储较小一半的元素
        info1 = [(-num, i) for i, num in enumerate(nums[:mid_cnt])]
        info2 = []

        heapq.heapify(info1)  # 将info1转化为最小堆

        def get_median(info1, info2, k):
            # 辅助函数，计算中位数
            if k % 2 == 0:
                return (-info1[0][0] + info2[0][0]) / 2.0
            else:
                return float(info2[0][0])

        # 初始窗口滑动过程
        for i in range(mid_cnt, k):
            if nums[i] < -info1[0][0]:
                num, j = heapq.heappop(info1)  # 弹出info1的堆顶元素
                heapq.heappush(info2, (-num, j))  # 将弹出的元素加入info2
                heapq.heappush(info1, (-nums[i], i))  # 将新元素加入info1
            else:
                heapq.heappush(info2, (nums[i], i))  # 将新元素加入info2

        res.append(get_median(info1, info2, k))  # 计算并添加初始窗口的中位数

        i = k
        while i < len(nums):
            num, j = nums[i - k], i - k  # 要移出窗口的元素和其索引

            if num <= -info1[0][0]:
                if nums[i] < info2[0][0]:
                    heapq.heappush(info1, (-nums[i], i))  # 新元素加入info1
                else:
                    num1, i1 = info2[0]
                    heapq.heappush(info1, (-num1, i1))  # info2的堆顶元素加入info1
                    heapq.heapreplace(info2, (nums[i], i))  # 弹出info2的堆顶并加入新元素
            else:
                if nums[i] < -info1[0][0]:
                    num1, i1 = info1[0]
                    heapq.heappush(info2, (-num1, i1))  # info1的堆顶元素加入info2
                    heapq.heapreplace(info1, (-nums[i], i))  # 弹出info1的堆顶并加入新元素
                else:
                    heapq.heappush(info2, (nums[i], i))  # 新元素加入info2

            while info1[0][1] <= j:
                heapq.heappop(info1)  # 移出info1中已经不在窗口中的元素
            while info2[0][1] <= j:
                heapq.heappop(info2)  # 移出info2中已经不在窗口中的元素

            res.append(get_median(info1, info2, k))  # 计算并添加当前窗口的中位数
            i += 1  # 窗口右移一位

        return res
最长不含重复字符的子字符串问题

最长不含重复字符的子字符串问题是要找到一个字符串中的最长子字符串，该子字符串中不包含重复字符。这可以通过使用滑动窗口来解决，同时使用哈希表来记录字符出现的位置。

def length_of_longest_substring(s):
    if not s:
        return 0

    char_index_map = {
    
    }  # 记录字符的最后出现位置
    max_length = 0
    start = 0

    for end in range(len(s)):
        if s[end] in char_index_map and char_index_map[s[end]] >= start:
            start = char_index_map[s[end]] + 1
        char_index_map[s[end]] = end
        max_length = max(max_length, end - start + 1)

    return max_length


# 示例用法
s = "abcabcbb"
length = length_of_longest_substring(s)
print(length)  # 输出：3，对应的最长子字符串是 "abc"

s = "bbbbb"
length = length_of_longest_substring(s)
print(length)  # 输出：1，对应的最长子字符串是 "b"

s = "pwwkew"
length = length_of_longest_substring(s)
print(length)  # 输出：3，对应的最长子字符串是 "wke"

以上是关于滑动窗口和最长不含重复字符的子字符串问题的简要示例。这些问题是滑动窗口算法的典型应用之一，用于解决多种字符串处理问题。希望这些示例有助于理解滑动窗口算法的核心思想和应用方式。

3. 数组

合并两个有序数组

合并两个有序数组是一个常见的问题，可以使用双指针法来实现。首先将两个数组合并到一个新的数组中，然后对新数组进行排序。

def merge_sorted_arrays(nums1, m, nums2, n):
    i, j, k = m - 1, n - 1, m + n - 1

    while i >= 0 and j >= 0:
        if nums1[i] > nums2[j]:
            nums1[k] = nums1[i]
            i -= 1
        else:
            nums1[k] = nums2[j]
            j -= 1
        k -= 1

    while j >= 0:
        nums1[k] = nums2[j]
        j -= 1
        k -= 1

# 示例用法
nums1 = [1, 2, 3, 0, 0, 0]
m = 3
nums2 = [2, 5, 6]
n = 3
merge_sorted_arrays(nums1, m, nums2, n)
print(nums1)  # 输出：[1, 2, 2, 3, 5, 6]
数组中出现超过一半的数问题

在一个数组中找到出现次数超过一半的元素可以使用摩尔投票算法。该算法通过维护候选元素和计数器，来找到可能的众数。

def majority_element(nums):
    candidate = None
    count = 0

    for num in nums:
        if count == 0:
            candidate = num
        count += 1 if num == candidate else -1

    return candidate

# 示例用法
nums = [2, 2, 1, 1, 1, 2, 2]
majority = majority_element(nums)
print(majority)  # 输出：2
岛屿的最大面积问题

在一个二维数组中找到最大的岛屿面积可以使用深度优先搜索（DFS）算法来实现。遍历每个元素，当遇到岛屿时，进行DFS搜索并计算岛屿的面积。

def max_area_of_island(grid):
    def dfs(row, col):
        if row < 0 or row >= len(grid) or col < 0 or col >= len(grid[0]) or grid[row][col] == 0:
            return 0

        grid[row][col] = 0  # 将已访问的岛屿标记为0
        area = 1

        # 递归搜索四个方向
        area += dfs(row - 1, col)
        area += dfs(row + 1, col)
        area += dfs(row, col - 1)
        area += dfs(row, col + 1)

        return area

    max_area = 0

    for row in range(len(grid)):
        for col in range(len(grid[0])):
            if grid[row][col] == 1:
                max_area = max(max_area, dfs(row, col))

    return max_area

# 示例用法
grid = [
    [1, 1, 0, 0, 0],
    [1, 1, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 1, 1],
    [0, 0, 0, 1, 1]
]
max_area = max_area_of_island(grid)
print(max_area)  # 输出：4
接雨水问题

接雨水问题可以使用双指针法来解决。通过维护两个指针和两个变量来计算每个位置可以接的雨水量。

def trap(height):
    left, right = 0, len(height) - 1
    left_max, right_max = 0, 0
    water = 0

    while left < right:
        if height[left] < height[right]:
            if height[left] >= left_max:
                left_max = height[left]
            else:
                water += left_max - height[left]
            left += 1
        else:
            if height[right] >= right_max:
                right_max = height[right]
            else:
                water += right_max - height[right]
            right -= 1

    return water

# 示例用法
height = [0, 1, 0, 2, 1, 0, 1, 3, 2, 1, 2, 1]
rainwater = trap(height)
print(rainwater)  # 输出：6
螺旋矩阵问题

螺旋矩阵问题是要按照螺旋的顺序遍历一个二维矩阵。可以使用模拟遍历的方法，逐层遍历矩阵，并按照螺旋顺序添加元素。

def spiral_order(matrix):
    if not matrix:
        return []

    rows, cols = len(matrix), len(matrix[0])
    result = []

    left, right, top, bottom = 0, cols - 1, 0, rows - 1

    while left <= right and top <= bottom:
        # 从左到右
        for col in range(left, right + 1):
            result.append(matrix[top][col])
        # 从上到下
        for row in range(top + 1, bottom + 1):
            result.append(matrix[row][right])
        # 从右到左，确保不重复遍历同一行或同一列
        if left < right and top < bottom:
            for col in range(right - 1, left, -1):
                result.append(matrix[bottom][col])
            for row in range(bottom, top, -1):
                result.append(matrix[row][left])

        left += 1
        right -= 1
        top += 1
        bottom -= 1

    return result

# 示例用法
matrix = [
    [1, 2, 3],
    [4, 5, 6],
    [7, 8, 9]
]
spiral_order_result = spiral_order(matrix)
print(spiral_order_result)  # 输出：[1, 2, 3, 6, 9, 8, 7, 4, 5]
逆序对问题

逆序对问题是要计算一个数组中的逆序对数量，即在数组中找到满足 i < j 且 nums[i] > nums[j] 的 (i, j) 对的数量。可以使用归并排序的思想来解决。

def reverse_pairs(nums):
    def merge_sort(nums, left, right):
        if left >= right:
            return 0

        mid = left + (right - left) // 2
        count = merge_sort(nums, left, mid) + merge_sort(nums, mid + 1, right)
        
        # 统计逆序对数量
        i, j = left, mid + 1
        while i <= mid:
            while j <= right and nums[i] > 2 * nums[j]:
                j += 1
            count += j - (mid + 1)
            i += 1
        
        # 归并排序
        temp = []
        i, j = left, mid + 1
        while i <= mid and j <= right:
            if nums[i] <= nums[j]:
                temp.append(nums[i])
                i += 1
            else:
                temp.append(nums[j])
                j += 1
        temp.extend(nums[i:mid + 1])
        temp.extend(nums[j:right + 1])
        nums[left:right + 1] = temp

        return count

    return merge_sort(nums, 0, len(nums) - 1)

# 示例用法
nums = [7, 5, 6, 4]
reverse_pair_count = reverse_pairs(nums)
print(reverse_pair_count)  # 输出：5，包含的逆序对为 (7, 5), (7, 6), (7, 4), (5, 4), (6, 4)

4. 链表

反转链表

链表反转是一个常见的操作，可以使用迭代或递归方法来实现。

class ListNode:
    def __init__(self, val=0, next=None):
        self.val = val
        self.next = next

def reverse_linked_list(head):
    prev, current = None, head

    while current is not None:
        next_node = current.next
        current.next = prev
        prev = current
        current = next_node

    return prev

# 示例用法
# 创建一个链表：1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5
head = ListNode(1)
current = head
for i in range(2, 6):
    current.next = ListNode(i)
    current = current.next

reversed_head = reverse_linked_list(head)

# 输出反转后的链表：5 -> 4 -> 3 -> 2 -> 1
while reversed_head is not None:
    print(reversed_head.val, end=" -> ")
    reversed_head = reversed_head.next
k个一组反转链表

将链表按照每k个节点一组进行反转是一个常见的链表操作。

class ListNode:
    def __init__(self, val=0, next=None):
        self.val = val
        self.next = next

def reverse_k_group(head, k):
    def reverse_linked_list(head):
        prev, current = None, head

        while current is not None:
            next_node = current.next
            current.next = prev
            prev = current
            current = next_node

        return prev

    def get_kth_node(head, k):
        for i in range(k):
            if head is None:
                return None
            head = head.next
        return head

    dummy = ListNode(0)
    dummy.next = head
    prev_group_tail = dummy

    while True:
        group_start = prev_group_tail.next
        group_end = get_kth_node(group_start, k)
        if group_end is None:
            break
        
        next_group_start = group_end.next
        group_end.next = None  # 切断当前组的链表
        prev_group_tail.next = reverse_linked_list(group_start)
        group_start.next = next_group_start
        prev_group_tail = group_start

    return dummy.next

# 示例用法
# 创建一个链表：1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5
head = ListNode(1)
current = head
for i in range(2, 6):
    current.next = ListNode(i)
    current = current.next

k = 3
reversed_head = reverse_k_group(head, k)

# 输出反转后的链表：3 -> 2 -> 1 -> 4 -> 5
while reversed_head is not None:
    print(reversed_head.val, end=" -> ")
    reversed_head = reversed_head.next
删除排序链表中的重复元素

删除排序链表中的重复节点是一个简单的链表操作，可以使用迭代方法实现。

class ListNode:
    def __init__(self, val=0, next=None):
        self.val = val
        self.next = next

def delete_duplicates(head):
    current = head

    while current is not None and current.next is not None:
        if current.val == current.next.val:
            current.next = current.next.next
        else:
            current = current.next

    return head

# 示例用法
# 创建一个排序链表：1 -> 1 -> 2 -> 3 -> 3
head = ListNode(1)
head.next = ListNode(1)
head.next.next = ListNode(2)
head.next.next.next = ListNode(3)
head.next.next.next.next = ListNode(3)

new_head = delete_duplicates(head)

# 输出去重后的链表：1 -> 2 -> 3
while new_head is not None:
    print(new_head.val, end=" -> ")
    new_head = new_head.next
环形链表问题

检测链表中是否存在环可以使用快慢指针法来实现。快指针每次移动两步，慢指针每次移动一步，如果存在环，两个指针最终会相遇。

class ListNode:
    def __init__(self, val=0, next=None):
        self.val = val
        self.next = next

def has_cycle(head):
    if not head or not head.next:
        return False

    slow = head
    fast = head.next

    while slow != fast:
        if not fast or not fast.next:
            return False
        slow = slow.next
        fast = fast.next.next

    return True

# 示例用法
# 创建一个带环的链表：1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> 2 (重复节点2形成环)
head = ListNode(1)
current = head
for i in range(2, 6):
    current.next = ListNode(i)
    current = current.next
cycle_start = head.next

current.next = cycle_start  # 形成环

has_cycle_result = has_cycle(head)
print(has_cycle_result)  # 输出：True
两个链表的第一个公共节点问题

找到两个链表的第一个公共节点可以使用双指针法来实现。首先计算两个链表的长度差，然后让较长的链表先移动长度差个节点，最后同时移动两个链表找到公共节点。

class ListNode:
    def __init__(self, val=0, next=None):
        self.val = val
        self.next = next

def get_intersection_node(headA, headB):
    def get_length(head):
        length = 0
        while head is not None:
            length += 1
            head = head.next
        return length

    lenA, lenB = get_length(headA), get_length(headB)

    # 让较长的链表先移动长度差个节点
    while lenA > lenB:
        headA = headA.next
        lenA -= 1
    while lenB > lenA:
        headB = headB.next
        lenB -= 1

    # 同时移动两个链表，找到第一个公共节点
    while headA != headB:
        headA = headA.next
        headB = headB.next

    return headA

# 示例用法
# 创建两个链表：
# 链表A：1 -> 2 -> 3
# 链表B：6 -> 7
# 公共节点：4 -> 5
headA = ListNode(1)
headA.next = ListNode(2)
headA.next.next = ListNode(3)

headB = ListNode(6)
headB.next = ListNode(7)

common_node = ListNode(4)
common_node.next = ListNode(5)

headA.next.next.next = common_node
headB.next.next = common_node

intersection_node = get_intersection_node(headA, headB)
print(intersection_node.val)  # 输出：4
合并有序链表问题

合并两个有序链表可以使用递归或迭代方法来实现。

class ListNode:
    def __init__(self, val=0, next=None):
        self.val = val
        self.next = next

def merge_sorted_lists(l1, l2):
    dummy = ListNode(0)
    current = dummy

    while l1 is not None and l2 is not None:
        if l1.val < l2.val:
            current.next = l1
            l1 = l1.next
        else:
            current.next = l2
            l2 = l2.next
        current = current.next

    if l1 is not None:
        current.next = l1
    if l2 is not None:
        current.next = l2

    return dummy.next

# 示例用法
# 创建两个有序链表：
# 链表1：1 -> 2 -> 4
# 链表2：1 -> 3 -> 4
head1 = ListNode(1)
head1.next = ListNode(2)
head1.next.next = ListNode(4)

head2 = ListNode(1)
head2.next = ListNode(3)
head2.next.next = ListNode(4)

merged_head = merge_sorted_lists(head1, head2)

# 输出合并后的有序链表：1 -> 1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 4
while merged_head is not None:
    print(merged_head.val, end=" -> ")
    merged_head = merged_head.next
链表求和问题

将两个链表表示的整数相加可以使用递归或迭代方法来实现，模拟从低位到高位的加法操作。

class ListNode:
    def __init__(self, val=0, next=None):
        self.val = val
        self.next = next

def add_two_numbers(l1, l2):
    dummy = ListNode(0)
    current = dummy
    carry = 0

    while l1 is not None or l2 is not None:
        x = l1.val if l1 is not None else 0
        y = l2.val if l2 is not None else 0

        total = x + y + carry
        carry = total // 10

        current.next = ListNode(total % 10)
        current = current.next

        if l1 is not None:
            l1 = l1.next
        if l2 is not None:
            l2 = l2.next

    if carry > 0:
        current.next = ListNode(carry)

    return dummy.next

# 示例用法
# 创建两个链表表示的整数：
# 链表1：2 -> 4 -> 3 (表示整数 342)
# 链表2：5 -> 6 -> 4 (表示整数 465)
head1 = ListNode(2)
head1.next = ListNode(4)
head1.next.next = ListNode(3)

head2 = ListNode(5)
head2.next = ListNode(6)
head2.next.next = ListNode(4)

result_head = add_two_numbers(head1, head2)

# 输出相加后的链表表示的整数：7 -> 0 -> 8 (表示整数 807)
while result_head is not None:
    print(result_head.val, end=" -> ")
    result_head = result_head.next
回文链表问题

判断一个链表是否是回文链表可以使用快慢指针和链表反转的方法来实现。首先使用快慢指针找到链表的中点，然后反转后半部分链表，最后比较两部分链表是否相等。

class ListNode:
    def __init__(self, val=0, next=None):
        self.val = val
        self.next = next

def is_palindrome(head):
    def reverse_linked_list(head):
        prev, current = None, head

        while current is not None:
            next_node = current.next
            current.next = prev
            prev = current
            current = next_node

        return prev

    slow, fast = head, head

    # 快慢指针找到中点
    while fast is not None and fast.next is not None:
        slow = slow.next
        fast = fast.next.next

    # 反转后半部分链表
    second_half = reverse_linked_list(slow)

    # 比较两部分链表是否相等
    while second_half is not None:
        if head.val != second_half.val:
            return False
        head = head.next
        second_half = second_half.next

    return True

# 示例用法
# 创建一个回文链表：1 -> 2 -> 2 -> 1
head = ListNode(1)
head.next = ListNode(2)
head.next.next = ListNode(2)
head.next.next.next = ListNode(1)

is_palindrome_result = is_palindrome(head)
print(is_palindrome_result)  # 输出：True
复制带随机指针的链表问题

复制带有随机指针的链表可以使用哈希表来实现，或者可以通过多次遍历链表来完成。

class Node:
    def __init__(self, val=None, next=None, random=None):
        self.val = val
        self.next = next
        self.random = random

def copy_random_list(head):
    if not head:
        return None

    # 创建一个哈希表，用于存储原节点和对应的复制节点的映射关系
    mapping = {
    
    }

    current = head

    # 第一次遍历：复制链表节点，不处理random指针
    while current:
        mapping[current] = Node(current.val)
        current = current.next

    current = head

    # 第二次遍历：处理复制节点的random指针
    while current:
        if current.next:
            mapping[current].next = mapping[current.next]
        if current.random:
            mapping[current].random = mapping[current.random]
        current = current.next

    return mapping[head]

# 示例用法
# 创建一个带随机指针的链表：
# 1 -> 2 -> 3
# |    |
# v    v
# 3 -> 1
node1 = Node(1)
node2 = Node(2)
node3 = Node(3)

node1.next = node2
node1.random = node3
node2.next = node3
node2.random = node1
node3.random = node1

copied_head = copy_random_list(node1)

# 输出复制后的带随机指针的链表：
# 1 -> 2 -> 3
# |    |
# v    v
# 3 -> 1
while copied_head:
    print(f"Value: {
      
      copied_head.val}, Random: {
      
      copied_head.random.val if copied_head.random else None}")
    copied_head = copied_head.next

这些是关于链表部分的具体内容示例，涵盖了链表操作中的一些常见问题和解决方法。这些问题涵盖了链表反转、链表分组、删除重复元素、检测环、找到第一个公共节点、合并有序链表、链表求和、判断回文链表以及复制带随机指针的链表等常见问题。

5. 二叉树

二叉树的深度

计算二叉树的深度通常使用递归方法，分别计算左子树和右子树的深度，然后取较大值加1即可。

class TreeNode:
    def __init__(self, val=0, left=None, right=None):
        self.val = val
        self.left = left
        self.right = right

def max_depth(root):
    if not root:
        return 0
    left_depth = max_depth(root.left)
    right_depth = max_depth(root.right)
    return max(left_depth, right_depth) + 1

# 示例用法
# 创建一个二叉树：
#     1
#    / \
#   2   3
#  / \
# 4   5
root = TreeNode(1)
root.left = TreeNode(2)
root.right = TreeNode(3)
root.left.left = TreeNode(4)
root.left.right = TreeNode(5)

depth = max_depth(root)
print(depth)  # 输出：3
之字形打印二叉树问题

之字形打印二叉树可以使用队列来实现，通过记录当前层的节点，然后按照不同的层次顺序输出节点值。

from collections import deque

class TreeNode:
    def __init__(self, val=0, left=None, right=None):
        self.val = val
        self.left = left
        self.right = right

def zigzag_level_order(root):
    if not root:
        return []

    result = []
    queue = deque([root])
    reverse = False

    while queue:
        level_values = []
        level_size = len(queue)

        for _ in range(level_size):
            node = queue.popleft()
            if reverse:
                level_values.insert(0, node.val)
            else:
                level_values.append(node.val)

            if node.left:
                queue.append(node.left)
            if node.right:
                queue.append(node.right)

        result.append(level_values)
        reverse = not reverse

    return result

# 示例用法
# 创建一个二叉树：
#     3
#    / \
#   9  20
#      / \
#     15  7
root = TreeNode(3)
root.left = TreeNode(9)
root.right = TreeNode(20)
root.right.left = TreeNode(15)
root.right.right = TreeNode(7)

zigzag_result = zigzag_level_order(root)
# 输出之字形顺序的结果：[[3], [20, 9], [15, 7]]
print(zigzag_result)
二叉搜索树的第 k 大节点问题

找到二叉搜索树中第 k 大的节点可以采用中序遍历的变种方法。通过反向中序遍历，先遍历右子树、根节点、左子树，就可以按照降序遍历节点，并找到第 k 大的节点。

class TreeNode:
    def __init__(self, val=0, left=None, right=None):
        self.val = val
        self.left = left
        self.right = right

def kth_largest(root, k):
    def reverse_inorder(node):
        nonlocal k
        if not node:
            return None

        result = reverse_inorder(node.right)
        if result is not None:
            return result

        k -= 1
        if k == 0:
            return node

        return reverse_inorder(node.left)

    return reverse_inorder(root).val

# 示例用法
# 创建一个二叉搜索树：
#     3
#    / \
#   1   4
#    \
#     2
root = TreeNode(3)
root.left = TreeNode(1)
root.left.right = TreeNode(2)
root.right = TreeNode(4)

k = 2
kth_largest_node = kth_largest(root, k)
print(kth_largest_node)  # 输出：2
二叉树的最近公共祖先问题

找到二叉树中两个节点的最近公共祖先可以使用递归方法来实现。根据最近公共祖先的性质，如果一个节点是两个节点的最近公共祖先，那么这个节点要么是其中一个节点，要么在左子树中，要么在右子树中，通过递归遍历左右子树，找到两个节点的最近公共祖先。

class TreeNode:
    def __init__(self, val=0, left=None, right=None):
        self.val = val
        self.left = left
        self.right = right

def lowest_common_ancestor(root, p, q):
    if not root:
        return None

    # 如果根节点是其中一个节点，则返回根节点
    if root == p or root == q:
        return root

    left_ancestor = lowest_common_ancestor(root.left, p, q)
    right_ancestor = lowest_common_ancestor(root.right, p, q)

    # 如果左子树和右子树都返回非空节点，说明分别找到了p和q，则当前节点是最近公共祖先
    if left_ancestor and right_ancestor:
        return root

    # 如果左子树返回非空节点，则返回左子树的结果
    return left_ancestor if left_ancestor else right_ancestor

# 示例用法
# 创建一个二叉树：
#     3
#    / \
#   5   1
#  / \ / \
# 6  2 0  8
#   / \
#  7   4
root = TreeNode(3)
root.left = TreeNode(5)
root.right = TreeNode(1)
root.left.left = TreeNode(6)
root.left.right = TreeNode(2)
root.left.right.left = TreeNode(7)
root.left.right.right = TreeNode(4)
root.right.left = TreeNode(0)
root.right.right = TreeNode(8)

p = root.left  # 节点5
q = root.right  # 节点1
ancestor = lowest_common_ancestor(root, p, q)
print(ancestor.val)  # 输出：3，最近公共祖先是根节点3
二叉树中和为某一值的路径问题

找到二叉树中路径和等于给定值的路径可以使用递归方法来实现。从根节点开始，递归遍历左子树和右子树，并累加路径上的节点值，当遇到叶子节点且路径和等于给定值时，将路径添加到结果中。

class TreeNode:
    def __init__(self, val=0, left=None, right=None):
        self.val = val
        self.left = left
        self.right = right

def find_paths(root, target):
    def dfs(node, current_path, current_sum):
        if not node:
            return

        current_path.append(node.val)
        current_sum += node.val

        if not node.left and not node.right and current_sum == target:
            paths.append(list(current_path))
        
        dfs(node.left, current_path, current_sum)
        dfs(node.right, current_path, current_sum)

        # 回溯：恢复当前路径状态
        current_path.pop()

    paths = []
    dfs(root, [], 0)
    return paths

# 示例用法
# 创建一个二叉树：
#     5
#    / \
#   4   8
#  /   / \
# 11  13  4
# /  \    / \
# 7   2  5   1
root = TreeNode(5)
root.left = TreeNode(4)
root.right = TreeNode(8)
root.left.left = TreeNode(11)
root.right.left = TreeNode(13)
root.right.right = TreeNode(4)
root.left.left.left = TreeNode(7)
root.left.left.right = TreeNode(2)
root.right.right.left = TreeNode(5)
root.right.right.right = TreeNode(1)

target = 22
paths = find_paths(root, target)
# 输出路径和为22的所有路径：[[5, 4, 11, 2], [5, 8, 4, 5]]
print(paths)
二叉树的最大路径和问题

找到二叉树中的最大路径和可以使用递归方法来实现。对于每个节点，有四种情况需要考虑：只包含当前节点的路径、包含当前节点和左子树的路径、包含当前节点和右子树的路径、包含当前节点、左子树和右子树的路径。通过递归计算这四种情况的最大值，即可找到最大路径和。

class TreeNode:
    def __init__(self, val=0, left=None, right=None):
        self.val = val
        self.left = left
        self.right = right

def max_path_sum(root):
    def max_gain(node):
        nonlocal max_sum
        if not node:
            return 0

        # 递归计算左子树和右子树的最大贡献值
        left_gain = max(max_gain(node.left), 0)
        right_gain = max(max_gain(node.right), 0)

        # 计算以当前节点为根的最大路径和
        current_max_path = node.val + left_gain + right_gain

        # 更新全局最大路径和
        max_sum = max(max_sum, current_max_path)

        # 返回以当前节点为根的最大贡献值
        return node.val + max(left_gain, right_gain)

    max_sum = float('-inf')
    max_gain(root)
    return max_sum

# 示例用法
# 创建一个二叉树：
#    -10
#    / \
#   9  20
#      / \
#     15  7
root = TreeNode(-10)
root.left = TreeNode(9)
root.right = TreeNode(20)
root.right.left = TreeNode(15)
root.right.right = TreeNode(7)

max_path = max_path_sum(root)
print(max_path)  # 输出：42
二叉树的右视图问题

获取二叉树的右视图可以使用广度优先搜索（BFS）来实现，每一层从右向左取最后一个节点加入结果列表。

from collections import deque

class TreeNode:
    def __init__(self, val=0, left=None, right=None):
        self.val = val
        self.left = left
        self.right = right

def right_side_view(root):
    if not root:
        return []

    result = []
    queue = deque([root])

    while queue:
        level_size = len(queue)

        for i in range(level_size):
            node = queue.popleft()
            if i == level_size - 1:
                result.append(node.val)

            if node.left:
                queue.append(node.left)
            if node.right:
                queue.append(node.right)

    return result

# 示例用法
# 创建一个二叉树：
#     1
#    / \
#   2   3
#    \   \
#     5   4
root = TreeNode(1)
root.left = TreeNode(2)
root.right = TreeNode(3)
root.left.right = TreeNode(5)
root.right.right = TreeNode(4)

right_view = right_side_view(root)
# 输出右视图：[1, 3, 4]
print(right_view)

6. TopK

最小的k个数问题

找到一个数组中最小的 k 个数可以使用堆（Heap）来实现，维护一个大小为 k 的最大堆，遍历数组，将元素依次加入堆中，当堆的大小超过 k 时，弹出堆顶元素，最终堆中剩下的元素即为最小的 k 个数。

import heapq

def get_least_numbers(arr, k):
    if k <= 0 or k > len(arr):
        return []

    max_heap = []

    for num in arr:
        if len(max_heap) < k:
            heapq.heappush(max_heap, -num)
        else:
            if -num > max_heap[0]:
                heapq.heappop(max_heap)
                heapq.heappush(max_heap, -num)

    return [-num for num in max_heap]

# 示例用法
arr = [3, 2, 1, 5, 6, 4]
k = 2
least_numbers = get_least_numbers(arr, k)
print(least_numbers)  # 输出：[2, 1]
数组中的第K个最大元素问题

找到一个数组中第 k 大的元素也可以使用堆来实现，维护一个大小为 k 的最小堆，遍历数组，将元素依次加入堆中，当堆的大小超过 k 时，弹出堆顶元素，最终堆中剩下的元素即为第 k 大的元素。

import heapq

def find_kth_largest(arr, k):
    if k <= 0 or k > len(arr):
        return None

    min_heap = arr[:k]
    heapq.heapify(min_heap)

    for num in arr[k:]:
        if num > min_heap[0]:
            heapq.heappop(min_heap)
            heapq.heappush(min_heap, num)

    return min_heap[0]

# 示例用法
arr = [3, 2, 1, 5, 6, 4]
k = 2
kth_largest = find_kth_largest(arr, k)
print(kth_largest)  # 输出：5

这些是关于二叉树和TopK问题的具体内容示例，涵盖了二叉树深度计算、之字形打印二叉树、二叉搜索树的第 k 大节点、二叉树最近公共祖先、二叉树路径和、二叉树最大路径和、二叉树右视图，以及最小的 k 个数和数组中的第 k 个最大元素等问题的解决方法。接下来，我们将继续探讨设计题、动态规划、以及其他一些常见问题的解决方法。
下面是关于设计题和动态规划问题的具体内容：

7. 设计题

最小栈问题

设计一个支持常数时间复杂度的最小栈，可以通过在普通栈中同时维护最小值的方式来实现。每次入栈时，将当前元素与栈顶的最小值进行比较，将较小的值入栈。出栈时，同时弹出栈顶元素和最小值。

class MinStack:
    def __init__(self):
        self.stack = []
        self.min_stack = []

    def push(self, val):
        self.stack.append(val)
        if not self.min_stack or val <= self.min_stack[-1]:
            self.min_stack.append(val)

    def pop(self):
        if self.stack:
            if self.stack[-1] == self.min_stack[-1]:
                self.min_stack.pop()
            self.stack.pop()

    def top(self):
        if self.stack:
            return self.stack[-1]

    def get_min(self):
        if self.min_stack:
            return self.min_stack[-1]

# 示例用法
min_stack = MinStack()
min_stack.push(2)
min_stack.push(0)
min_stack.push(3)
min_stack.push(0)

print(min_stack.get_min())  # 输出：0
min_stack.pop()
print(min_stack.get_min())  # 输出：0
min_stack.pop()
print(min_stack.get_min())  # 输出：0
min_stack.pop()
print(min_stack.get_min())  # 输出：2
两个栈实现队列问题

通过使用两个栈来实现队列，一个栈用于入队操作，另一个栈用于出队操作。当需要出队时，将入队栈中的元素依次出栈并入到出队栈中，这样出队操作就可以从出队栈中进行。

class MyQueue:
    def __init__(self):
        self.in_stack = []
        self.out_stack = []

    def push(self, val):
        self.in_stack.append(val)

    def pop(self):
        if not self.out_stack:
            while self.in_stack:
                self.out_stack.append(self.in_stack.pop())
        if self.out_stack:
            return self.out_stack.pop()

    def peek(self):
        if not self.out_stack:
            while self.in_stack:
                self.out_stack.append(self.in_stack.pop())
        if self.out_stack:
            return self.out_stack[-1]

    def empty(self):
        return not self.in_stack and not self.out_stack

# 示例用法
queue = MyQueue()
queue.push(1)
queue.push(2)
print(queue.peek())  # 输出：1
print(queue.pop())   # 输出：1
print(queue.empty()) # 输出：False
LRU缓存机制问题

设计和实现LRU（Least Recently Used）缓存机制可以使用哈希表和双向链表来实现。哈希表用于快速查找缓存中的元素，双向链表用于维护元素的访问顺序。

class LRUCache:
    def __init__(self, capacity):
        self.capacity = capacity
        self.cache = {
    
    }
        self.head = Node()
        self.tail = Node()
        self.head.next = self.tail
        self.tail.prev = self.head

    def _add_node(self, node):
        node.prev = self.head
        node.next = self.head.next
        self.head.next.prev = node
        self.head.next = node

    def _remove_node(self, node):
        prev = node.prev
        next_node = node.next
        prev.next = next_node
        next_node.prev = prev

    def _move_to_head(self, node):
        self._remove_node(node)
        self._add_node(node)

    def _pop_tail(self):
        res = self.tail.prev
        self._remove_node(res)
        return res

    def get(self, key):
        if key in self.cache:
            node = self.cache[key]
            self._move_to_head(node)
            return node.value
        return -1

    def put(self, key, value):
        if key in self.cache:
            node = self.cache[key]
            node.value = value
            self._move_to_head(node)
        else:
            if len(self.cache) >= self.capacity:
                tail = self._pop_tail()
                del self.cache[tail.key]
            new_node = Node(key, value)
            self.cache[key] = new_node
            self._add_node(new_node)

class Node:
    def __init__(self, key=None, value=None):
        self.key = key
        self.value = value
        self.prev = None
        self.next = None

# 示例用法
cache = LRUCache(2)
cache.put(1, 1)
cache.put(2, 2)
print(cache.get(1)) # 输出：1
cache.put(3, 3)
print(cache.get(2)) # 输出：-1，因为键2已被移除

8. 动态规划

青蛙跳台阶问题

青蛙跳台阶问题可以看作是一个典型的动态规划问题，每次可以跳1个或2个台阶，那么跳到第n个台阶的方法数等于跳到第n-1个台阶的方法数加上跳到第n-2个台阶的方法数，即 Fibonacci 数列。

def climb_stairs(n):
    if n <= 2:
        return n
    dp = [0] * (n + 1)
    dp[1] = 1
    dp[2] = 2
    for i in range(3, n + 1):
        dp[i] = dp[i - 1] + dp[i - 2]
    return dp[n]

# 示例用法
n = 4
ways = climb_stairs(n)
print(ways)  # 输出：5
最长上升子序列问题

最长上升子序列问题是一个经典的动态规划问题，可以使用动态规划来解决。定义一个状态数组dp，其中dp[i]表示以第i个元素为结尾的最长上升子序列的长度。初始时，每个元素自成一个长度为1的上升子序列，然后遍历数组，对于每个元素，找到其前面所有比它小的元素，计算以该元素为结尾的最长上升子序列长度。

def length_of_lis(nums):
    if not nums:
        return 0
    n = len(nums)
    dp = [1] * n

    for i in range(1, n):
        for j in range(i):
            if nums[i] > nums[j]:
                dp[i] = max(dp[i], dp[j] + 1)

    return max(dp)

# 示例用法
nums = [10, 9, 2, 5, 3, 7, 101, 18]
length = length_of_lis(nums)
print(length)  # 输出：5，最长上升子序列是[2, 3, 7, 101]
最长公共子序列问题

最长公共子序列问题可以使用动态规划来解决。定义一个二维数组dp，其中dp[i][j]表示字符串text1的前i个字符和字符串text2的前j个字符的最长公共子序列的长度。根据动态规划的状态转移方程，可以填充整个dp数组。

def longest_common_subsequence(text1, text2):
    m, n = len(text1), len(text2)
    dp = [[0] * (n + 1) for _ in range(m + 1)]

    for i in range(1, m + 1):
        for j in range(1, n + 1):
            if text1[i - 1] == text2[j - 1]:
                dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1] + 1
            else:
                dp[i][j] = max(dp[i - 1][j], dp[i][j - 1])

    return dp[m][n]

# 示例用法
text1 = "abcde"
text2 = "ace"
length = longest_common_subsequence(text1, text2)
print(length)  # 输出：3，最长公共子序列是"ace"
编辑距离问题

编辑距离问题是一个经典的字符串匹配问题，可以使用动态规划来解决。定义一个二维数组dp，其中dp[i][j]表示将字符串word1的前i个字符转换成字符串word2的前j个字符所需的最小编辑距离。通过填充dp数组，可以得到最小编辑距离。

def min_distance(word1, word2):
    m, n = len(word1), len(word2)
    dp = [[0] * (n + 1) for _ in range(m + 1)]

    for i in range(m + 1):
        for j in range(n + 1):
            if i == 0:
                dp[i][j] = j
            elif j == 0:
                dp[i][j] = i
            elif word1[i - 1] == word2[j - 1]:
                dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1]
            else:
                dp[i][j] = 1 + min(dp[i - 1][j], dp[i][j - 1], dp[i - 1][j - 1])

    return dp[m][n]

# 示例用法
word1 = "horse"
word2 = "ros"
distance = min_distance(word1, word2)
print(distance)  # 输出：3，最小编辑距离为3，删除'h'，替换'r'，添加's'
零钱兑换2问题

零钱兑换2问题是一个动态规划问题，可以通过动态规划来计算不同面额的硬币组合成指定金额的方法数。定义一个一维数组dp，其中dp[i]表示组合成金额i的方法数。初始时，dp[0]为1，表示组合成金额0的方法数为1，其余元素初始化为0，然后遍历硬币面额，更新dp数组。

def change(amount, coins):
    dp = [0] * (amount + 1)
    dp[0] = 1

    for coin in coins:
        for i in range(coin, amount + 1):
            dp[i] += dp[i - coin]

    return dp[amount]


# 示例用法
amount = 5
coins = [1, 2, 5]
combinations = change(amount, coins)
print(combinations)  # 输出：4，有4种组合方式：[1, 1, 1, 1, 1], [1, 1, 1, 2], [2, 2, 1], [5]

这些是关于设计题和动态规划问题的具体内容示例，涵盖了最小栈、两个栈实现队列、LRU缓存机制、青蛙跳台阶、最长上升子序列、最长公共子序列、编辑距离、零钱兑换2等问题的解决方法。接下来，我们将继续探讨其他一些常见问题的解决方法。

9. 其他

翻转单词顺序问题

翻转单词顺序问题可以通过先将整个字符串翻转，然后再翻转每个单词的字符顺序来实现。

def reverse_words(s):
    s = s[::-1]  # 翻转整个字符串
    words = s.split()  # 切分单词
    return ' '.join(words[::-1])  # 翻转单词顺序并拼接成字符串

# 示例用法
s = "the sky is blue"
reversed_s = reverse_words(s)
print(reversed_s)  # 输出："blue is sky the"
二进制中1的个数问题

计算一个整数的二进制表示中1的个数可以使用位运算来实现，不断将整数右移一位并与1进行与运算，直到整数为0。

def hamming_weight(n):
    count = 0
    while n:
        count += n & 1
        n >>= 1
    return count

# 示例用法
n = 11
count = hamming_weight(n)
print(count)  # 输出：3，二进制表示为1011，含有3个1
颠倒二进制位问题

颠倒一个无符号整数的二进制位可以通过不断将整数的最低位取出并左移，同时将结果的最高位取出并左移，然后将它们进行或运算来实现。

def reverse_bits(n):
    result = 0
    for _ in range(32):
        result <<= 1
        result |= n & 1
        n >>= 1
    return result

# 示例用法
n = 43261596
reversed_n = reverse_bits(n)
print(reversed_n)  # 输出：964176192
数据流中的中位数问题

设计一个支持在数据流中随时获取中位数的数据结构，可以使用两个堆来实现。一个大顶堆用于存储较小的一半数据，一个小顶堆用于存储较大的一半数据。

import heapq

class MedianFinder:
    def __init__(self):
        self.small_heap = []  # 小顶堆，存储较大的一半数据
        self.large_heap = []  # 大顶堆，存储较小的一半数据

    def add_num(self, num):
        if not self.small_heap or num > -self.small_heap[0]:
            heapq.heappush(self.small_heap, -num)
        else:
            heapq.heappush(self.large_heap, num)

        # 平衡两个堆的大小
        if len(self.small_heap) > len(self.large_heap) + 1:
            heapq.heappush(self.large_heap, -heapq.heappop(self.small_heap))
        elif len(self.large_heap) > len(self.small_heap):
            heapq.heappush(self.small_heap, -heapq.heappop(self.large_heap))

    def find_median(self):
        if len(self.small_heap) == len(self.large_heap):
            return (-self.small_heap[0] + self.large_heap[0]) / 2.0
        else:
            return -self.small_heap[0]


# 示例用法
median_finder = MedianFinder()
median_finder.add_num(1)
median_finder.add_num(2)
median_finder.add_num(3)
median = median_finder.find_median()
print(median)  # 输出：2.0，因为中位数是2

median_finder.add_num(4)
median = median_finder.find_median()
print(median)  # 输出：2.5，因为中位数是 (2 + 3) / 2 = 2.5
复原IP地址问题

复原IP地址问题是一个回溯算法问题，可以通过回溯算法来列举所有可能的IP地址组合。

def restore_ip_addresses(s):
    def backtrack(start, path):
        if len(path) == 4:
            if start == len(s):
                result.append('.'.join(path))
            return
        for i in range(1, 4):
            if start + i <= len(s):
                segment = s[start:start + i]
                if (len(segment) == 1 or (len(segment) > 1 and segment[0] != '0')) and 0 <= int(segment) <= 255:
                    path.append(segment)
                    backtrack(start + i, path)
                    path.pop()

    result = []
    backtrack(0, [])
    return result

# 示例用法
s = "25525511135"
ip_addresses = restore_ip_addresses(s)
print(ip_addresses)  # 输出：["255.255.11.135", "255.255.111.35"]

这些是关于其他常见问题的解决方法，包括翻转单词顺序、二进制中1的个数、颠倒二进制位、数据流中的中位数、以及复原IP地址等问题的解决方法。接下来，我们将继续探讨一些常见的问题系列。

当然，下面是对系列题中的一些问题的具体内容示例：

10. 系列题

X数之和系列
两数之和问题

两数之和问题是一个常见的问题，可以使用哈希表来解决。遍历数组，对于每个元素，检查目标值与当前元素的差值是否在哈希表中，如果在，则找到了两个数的和等于目标值。

def two_sum(nums, target):
    num_to_index = {
    
    }
    for i, num in enumerate(nums):
        complement = target - num
        if complement in num_to_index:
            return [num_to_index[complement], i]
        num_to_index[num] = i
    return None

# 示例用法
nums = [2, 7, 11, 15]
target = 9
result = two_sum(nums, target)
print(result)  # 输出：[0, 1]，因为 nums[0] + nums[1] = 2 + 7 = 9
三数之和问题

三数之和问题可以转化为两数之和问题，先对数组进行排序，然后固定一个数，再使用双指针法找出另外两个数，使它们的和等于目标值。

def three_sum(nums):
    nums.sort()
    result = []
    n = len(nums)

    for i in range(n - 2):
        if i > 0 and nums[i] == nums[i - 1]:
            continue
        left, right = i + 1, n - 1
        while left < right:
            total = nums[i] + nums[left] + nums[right]
            if total == 0:
                result.append([nums[i], nums[left], nums[right]])
                while left < right and nums[left] == nums[left + 1]:
                    left += 1
                while left < right and nums[right] == nums[right - 1]:
                    right -= 1
                left += 1
                right -= 1
            elif total < 0:
                left += 1
            else:
                right -= 1

    return result

# 示例用法
nums = [-1, 0, 1, 2, -1, -4]
result = three_sum(nums)
print(result)  # 输出：[[-1, -1, 2], [-1, 0, 1]]
最接近的三数之和问题

最接近的三数之和问题是一个变种，可以在求得三个数的和等于目标值的前提下，找出最接近目标值的和。

def three_sum_closest(nums, target):
    nums.sort()
    closest_sum = float('inf')
    min_diff = float('inf')
    n = len(nums)

    for i in range(n - 2):
        left, right = i + 1, n - 1
        while left < right:
            total = nums[i] + nums[left] + nums[right]
            diff = abs(total - target)
            if diff < min_diff:
                min_diff = diff
                closest_sum = total
            if total < target:
                left += 1
            elif total > target:
                right -= 1
            else:
                return closest_sum

    return closest_sum

# 示例用法
nums = [-1, 2, 1, -4]
target = 1
result = three_sum_closest(nums, target)
print(result)  # 输出：2，最接近目标值1的和为2

这些是关于X数之和系列问题的解决方法，包括两数之和、三数之和、最接近的三数之和等问题的解决方法。这些问题涵盖了在数组中查找数的和等于目标值的情况，以及在特定条件下查找满足要求的组合的情况。

股票系列
买卖股票的最佳时机1问题

买卖股票的最佳时机1问题可以通过维护最低股价和最大利润来解决。遍历股价数组，对于每个股价，更新最低股价和最大利润。

def max_profit(prices):
    min_price = float('inf')
    max_profit = 0

    for price in prices:
        min_price = min(min_price, price)
        max_profit = max(max_profit, price - min_price)

    return max_profit

# 示例用法
prices = [7, 1, 5, 3, 6, 4]
profit = max_profit(prices)
print(profit)  # 输出：5，最大利润为5，买入价格为1，卖出价格为6
买卖股票的最佳时机2问题

买卖股票的最佳时机2问题是一个贪心算法问题，可以通过遍历股价数组，对于每一天，如果股价比前一天高，就将这一天的利润加到总利润上。

def max_profit2(prices):
    max_profit = 0

    for i in range(1, len(prices)):
        if prices[i] > prices[i - 1]:
            max_profit += prices[i] - prices[i - 1]

    return max_profit

# 示例用法
prices = [7, 1, 5, 3, 6, 4]
profit = max_profit2(prices)
print(profit)  # 输出：7，最大利润为7，买入价格为1，卖出价格为5，再买入价格为3，卖出价格为6
买卖股票的最佳时机3问题

买卖股票的最佳时机3问题可以通过动态规划来解决。定义一个二维数组dp，其中dp[i][j][k]表示在第i天结束时，最多进行j次交易并持有（k=1）或不持有（k=0）股票时的最大利润。根据状态转移方程填充dp数组。

def max_profit3(prices):
    if not prices:
        return 0

    max_transactions = 2  # 最多交易次数
    n = len(prices)
    dp = [[[0] * 2 for _ in range(max_transactions + 1)] for _ in range(n)]

    for i in range(n):
        for j in range(max_transactions, 0, -1):
            if i == 0:
                dp[i][j][1] = -prices[i]
            else:
                dp[i][j][1] = max(dp[i - 1][j][1], dp[i - 1][j - 1][0] - prices[i])
                dp[i][j][0] = max(dp[i - 1][j][0], dp[i - 1][j][1] + prices[i])

    return dp[n - 1][max_transactions][0]

# 示例用法
prices = [3, 3, 5, 0, 0, 3, 1, 4]
profit = max_profit3(prices)
print(profit)  # 输出：6，最大利润为6，买入价格为3，卖出价格为5，再买入价格为0，卖出价格为3

这些是关于股票系列问题的解决方法，包括买卖股票的最佳时机1、买卖股票的最佳时机2、买卖股票的最佳时机3等问题的解决方法。这些问题涵盖了股票交易中的不同情况和限制条件，帮助你了解如何在股票市场中做出明智的决策。

括号系列
有效括号问题

有效括号问题是一个栈的经典应用。使用栈来存储左括号，当遇到右括号时，检查栈顶是否与之匹配，如果匹配则出栈，否则不匹配。

def is_valid(s):
    stack = []
    mapping = {
    
    ')': '(', '}': '{', ']': '['}
    
    for char in s:
        if char in mapping:
            top_element = stack.pop() if stack else '#'
            if mapping[char] != top_element:
                return False
        else:
            stack.append(char)
    
    return not stack

# 示例用法
s = "()[]{}"
result = is_valid(s)
print(result)  # 输出：True
最长有效括号问题

最长有效括号问题可以通过栈来解决。遍历字符串，使用栈来存储未匹配的左括号的索引，当遇到右括号时，检查栈是否为空，如果不为空，计算当前位置与栈顶元素的距离，这个距离就是当前有效括号的长度。

def longest_valid_parentheses(s):
    stack = [-1]  # 初始化栈，用-1表示栈底
    max_length = 0
    
    for i in range(len(s)):
        if s[i] == '(':
            stack.append(i)
        else:
            stack.pop()
            if not stack:
                stack.append(i)
            else:
                max_length = max(max_length, i - stack[-1])
    
    return max_length

# 示例用法
s = "(()())"
result = longest_valid_parentheses(s)
print(result)  # 输出：6，最长有效括号为"(()())"

以上是括号系列问题的解决方法，包括判断有效括号和找到最长有效括号子串。这些问题涉及了括号匹配的常见场景，也是算法和数据结构中的经典问题。

总结

本文深入介绍了一系列常见的算法和数据结构问题，以及它们在LeetCode上的相关题目。这些问题覆盖了计算机科学和编程中的关键概念，包括基本的数据结构、常用的算法思想以及动态规划等。通过学习和实践这些问题，你将能够提升编程技能，更好地应对面试挑战，并能够更高效地解决实际问题。希望本文对你在算法和数据结构领域的学习和发展有所帮助。

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转载自blog.csdn.net/qq_42531954/article/details/133280951
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