Leetcode53——Maximum Subarray

文章作者：Tyan
博客：noahsnail.com  |  CSDN  | 

本文主要是对最大子数组（序列）问题求解的学习与总结，最大子数组问题是一道经典的算法题，这道题解法有很多，因此可以学习到很多求解问题的思路，并可以学习到算法的优化过程。

1. 问题描述

英文：

Find the contiguous subarray within an array (containing at least one number) which has the largest sum.

For example, given the array [-2,1,-3,4,-1,2,1,-5,4],
the contiguous subarray [4,-1,2,1] has the largest sum = 6.

中文：

主要是给定一个数组，求解数组的子数组中，数组元素和最大的那一个子数组，返回的是最大子数组的和。

2. 求解

解法一

最简单也是最容易想到的思路就是三层循环，对(i,j),i<=j的情况进行遍历，这种情况下的算法复杂度为O($n^3$)。代码如下：

public class Solution {
    public int maxSubArray(int[] nums) {
        //如果需要节省空间，可将n替换
        int n = nums.length;
        int max = nums[0];
        for(int i = 0; i < n; i++) {
            for(int j = i; j < n; j++){
                int sum = 0;
                //注意k的边界，存在i=j的情况
                for(int k = i; k <= j; k++) {
                    sum += nums[k];
                    if(sum > max) {
                        max = sum;
                    }
                }
            }
        }
        return max;
    }
}

Leetcode上的运行结果如下：

O(n^3)的情况

解法二

从Leetcode结果可以看出，时间超时了，O($n^{3$)的时间复杂度确实太高了，需要进行优化。分析上面的代码，在i不变的情况下，j每增加1，其和都是在上次求和基础上加上最新的元素，而在第三层循环中都是重新从i开始计算求和，因此存在数据冗余（求和的重复计算），因此需要需要去掉算法中的冗余部分。这种情况下的代码复杂度变为O($n}2$)，代码如下：

public class Solution {
    public int maxSubArray(int[] nums) {
        int n = nums.length;
        int max = nums[0];
        for(int i = 0; i < n; i++) {
            int sum = 0;
            for(int j = i; j < n; j++){
                sum += nums[j];
                if(sum > max) {
                    max = sum;
                }
            }
        }
        return max;
    }
}

Leetcode上运行结果如下：

O(n^2)的情况

解法三

从Leetcode结果可以看出，时间还是超时了，但从执行的测试数据数量上来看，比第一次多执行了两个，但在最后一个测试数据上时间超时了。那么能不能有进一步的优化呢？答案是肯定有的。可以使用分治法来求解，算法复杂度为O(nlogn)，但是其实本题并不适合使用分治法，太复杂。虽然算法复杂度降低了一些，因此这里略过分治法，直接寻找更优解法。

解法四

还有没有更好的方法呢？答案也是肯定的。首先假设存在最大子数组X，则最大子数组X中的任意一个子数组x都不应该为负数，如果x为负数，则X必定不是最大子数组（可用反证法证明）。根据这个思想，我们只需要以此累加数组元素，并将和与0比较，如果小于0，则需要在剩下的元素中重新寻找是否存在最大子数组，如果不小于0，则与保存的最大子数组值进行比较，如果大于最大子数组值，则更新最大子数组值。这样只需要一次遍历就能找到最大子数组，这种解法的算法复杂度为O(n)。根据这个思路，解决这个问题的算法复杂度代码如下：

public class Solution {
    public int maxSubArray(int[] nums) {
        int n = nums.length;
        int max = nums[0];
        int sum = 0;
        for(int i = 0; i < n; i++) {
            sum += nums[i];
            if(sum > max) {
                max = sum;
            }
            if(sum < 0) {
                sum = 0;
            }
        }
        return max;
    }
}

Leetcode通过了。

解法五

还有没有别的方法呢？答案还是肯定的。使用动态规划求解。动态规划过程是：每次决策依赖于当前状态，又随即引起状态的转移。一个决策序列就是在变化的状态中产生出来的，所以，这种多阶段最优化决策解决问题的过程就称为动态规划。 使用动态规划求解问题，最重要的就是确定动态规划三要素：（1）问题的阶段；（2）每个阶段的状态；（3）从前一个阶段转化到后一个阶段之间的递推关系。

1.起始阶段(i=0)，max = nums[0]；2.第i(i > 0)个阶段，max = curMax[i]，curMax是第i个阶段的最大子序列和；3.第i-1和第i个阶段的关系，curMax[i] = Math.max(curMax[i - 1] + nums[i], nums[i])；4.根据前面动态规划的定义，则最大子序列和max = Math.max(max, curMax[i])。

public class Solution {
    public int maxSubArray(int[] nums) {
        int n = nums.length;
        //curMax是当前的最大子序列和
        int[] curMax = new int[n];
        curMax[0] = nums[0];
        int max = nums[0];
        for (int i = 1; i < n; i ++) {
            curMax[i] = Math.max(curMax[i - 1] + nums[i], nums[i]);
            max = Math.max(max, curMax[i]);
        }
        return max;
    }
}

Leetcode通过了。

分析解法四与解法五

其实解法四与解法五是一致的，解法四中的sum等于解法五中的curMax[i]，解法五中如果curMax[i-1]小于0，则curMax[i] = nums[i]，而在解法四中由于第i-1次时sum=curMax[i-1]，因此需要将sum重置为0，则sum + nums[i] = nums[i]，与curMax[i] = nums[i]是一致的。如果解法五中curMax[i-1]大于等于0，则curMax[i] = curMax[i - 1] + nums[i]，此时方法四中sum = sum + nums[i]。而第i-1次时，sum = curMax[i - 1]，两者也是等价的。解法五中的curMax[0]替换为sum，curMax[i]替换为sum，将curMax[i] = Math.max(curMax[i - 1] + nums[i], nums[i]);变换为sum += nums[i];和if(sum < 0) { sum = 0; }，即可将代码从解法五变换为解法四的代码。