1157. Online Majority Element In Subarray #

题目 #

Implementing the class MajorityChecker, which has the following API:

MajorityChecker(int[] arr) constructs an instance of MajorityChecker with the given array arr;
int query(int left, int right, int threshold) has arguments such that:
- 0 <= left <= right < arr.length representing a subarray of arr;
- 2 * threshold > right - left + 1, ie. the threshold is always a strict majority of the length of the subarray

Each query(...) returns the element in arr[left], arr[left+1], ..., arr[right] that occurs at least threshold times, or -1 if no such element exists.

Example:

MajorityChecker majorityChecker = new MajorityChecker([1,1,2,2,1,1]);
majorityChecker.query(0,5,4); // returns 1
majorityChecker.query(0,3,3); // returns -1
majorityChecker.query(2,3,2); // returns 2

Constraints:

1 <= arr.length <= 20000
1 <= arr[i] <= 20000
For each query, 0 <= left <= right < len(arr)
For each query, 2 * threshold > right - left + 1
The number of queries is at most 10000

题目大意 #

实现一个 MajorityChecker 的类，它应该具有下述几个 API：

MajorityChecker(int[] arr) 会用给定的数组 arr 来构造一个 MajorityChecker 的实例。
int query(int left, int right, int threshold) 有这么几个参数：
0 <= left <= right < arr.length 表示数组 arr 的子数组的长度。
2 * threshold > right - left + 1，也就是说阈值 threshold 始终比子序列长度的一半还要大。

每次查询 query(…) 会返回在 arr[left], arr[left+1], …, arr[right] 中至少出现阈值次数 threshold 的元素，如果不存在这样的元素，就返回 -1。

提示：

1 <= arr.length <= 20000
1 <= arr[i] <= 20000
对于每次查询，0 <= left <= right < len(arr)
对于每次查询，2 * threshold > right - left + 1
查询次数最多为 10000

解题思路 #

设计一个数据结构，能在任意的一个区间内，查找是否存在众数，众数的定义是：该数字出现的次数大于区间的一半。如果存在众数，一定唯一。如果在给定的区间内找不到众数，则输出 -1 。
这一题有一个很显眼的“暗示”，2 * threshold > right - left + 1，这个条件就是摩尔投票算法的前提条件。摩尔投票的思想可以见第 169 题。这一题又要在区间内查询，所以选用线段树这个数据结构来实现。经过分析，可以确定此题的解题思路，摩尔投票 + 线段树。
摩尔投票的思想是用两个变量，candidate 和 count，用来记录待被投票投出去的元素，和候选人累积没被投出去的轮数。如果候选人累积没有被投出去的轮数越多，那么最终成为众数的可能越大。从左往右扫描整个数组，先去第一个元素为 candidate，如果遇到相同的元素就累加轮数，如果遇到不同的元素，就把 candidate 和不同的元素一起投出去。当轮数变成 0 了，再选下一个元素作为 candidate。从左扫到右，就能找到众数了。那怎么和线段树结合起来呢？
线段树是把一个大的区间拆分成很多个小区间，那么考虑这样一个问题。每个小区间内使用摩尔投票，最终把所有小区间合并起来再用一次摩尔投票，得到的结果和对整个区间使用一次摩尔投票的结果是一样的么？答案是一样的。可以这样想，众数总会在一个区间内被选出来，那么其他区间的摩尔投票都是起“中和”作用的，即两两元素一起出局。这个问题想通以后，说明摩尔投票具有可加的性质。既然满足可加，就可以和线段树结合，因为线段树每个线段就是加起来，最终合并成大区间的。
举个例子，arr = [1,1,2,2,1,1]，先构造线段树，如下左图。
现在每个线段树的节点不是只存一个 int 数字了，而是存 candidate 和 count。每个节点的 candidate 和 count 分别代表的是该区间内摩尔投票的结果。初始化的时候，先把每个叶子都填满，candidate 是自己，count = 1 。即右图绿色节点。然后在 pushUp 的时候，进行摩尔投票：
```
  mc.merge = func(i, j segmentItem) segmentItem {
          if i.candidate == j.candidate {
              return segmentItem{candidate: i.candidate, count: i.count + j.count}
          }
          if i.count > j.count {
              return segmentItem{candidate: i.candidate, count: i.count - j.count}
          }
          return segmentItem{candidate: j.candidate, count: j.count - i.count}
      }
```
直到根节点的 candidate 和 count 都填满。注意，这里的 count 并不是元素出现的总次数，而是摩尔投票中坚持没有被投出去的轮数。当线段树构建完成以后，就可以开始查询任意区间内的众数了，candidate 即为众数。接下来还要确定众数是否满足 threshold 的条件。
用一个字典记录每个元素在数组中出现位置的下标，例如上述这个例子，用 map 记录下标：count = map[1:[0 1 4 5] 2:[2 3]]。由于下标在记录过程中是递增的，所以满足二分查找的条件。利用这个字典就可以查出在任意区间内，指定元素出现的次数。例如这里要查找 1 在 [0,5] 区间内出现的个数，那么利用 2 次二分查找，分别找到 lowerBound 和 upperBound，在 [lowerBound，upperBound) 区间内，都是元素 1 ，那么区间长度即是该元素重复出现的次数，和 threshold 比较，如果 ≥ threshold 说明找到了答案，否则没有找到就输出 -1 。

代码 #


package leetcode

import (
	"sort"
)

type segmentItem struct {
	candidate int
	count     int
}

// MajorityChecker define
type MajorityChecker struct {
	segmentTree []segmentItem
	data        []int
	merge       func(i, j segmentItem) segmentItem
	count       map[int][]int
}

// Constructor1157 define
func Constructor1157(arr []int) MajorityChecker {
	data, tree, mc, count := make([]int, len(arr)), make([]segmentItem, 4*len(arr)), MajorityChecker{}, make(map[int][]int)
	// 这个 merge 函数就是摩尔投票算法
	mc.merge = func(i, j segmentItem) segmentItem {
		if i.candidate == j.candidate {
			return segmentItem{candidate: i.candidate, count: i.count + j.count}
		}
		if i.count > j.count {
			return segmentItem{candidate: i.candidate, count: i.count - j.count}
		}
		return segmentItem{candidate: j.candidate, count: j.count - i.count}
	}
	for i := 0; i < len(arr); i++ {
		data[i] = arr[i]
	}
	for i := 0; i < len(arr); i++ {
		if _, ok := count[arr[i]]; !ok {
			count[arr[i]] = []int{}
		}
		count[arr[i]] = append(count[arr[i]], i)
	}
	mc.data, mc.segmentTree, mc.count = data, tree, count
	if len(arr) > 0 {
		mc.buildSegmentTree(0, 0, len(arr)-1)
	}
	return mc
}

func (mc *MajorityChecker) buildSegmentTree(treeIndex, left, right int) {
	if left == right {
		mc.segmentTree[treeIndex] = segmentItem{candidate: mc.data[left], count: 1}
		return
	}
	leftTreeIndex, rightTreeIndex := mc.leftChild(treeIndex), mc.rightChild(treeIndex)
	midTreeIndex := left + (right-left)>>1
	mc.buildSegmentTree(leftTreeIndex, left, midTreeIndex)
	mc.buildSegmentTree(rightTreeIndex, midTreeIndex+1, right)
	mc.segmentTree[treeIndex] = mc.merge(mc.segmentTree[leftTreeIndex], mc.segmentTree[rightTreeIndex])
}

func (mc *MajorityChecker) leftChild(index int) int {
	return 2*index + 1
}

func (mc *MajorityChecker) rightChild(index int) int {
	return 2*index + 2
}

// Query define
func (mc *MajorityChecker) query(left, right int) segmentItem {
	if len(mc.data) > 0 {
		return mc.queryInTree(0, 0, len(mc.data)-1, left, right)
	}
	return segmentItem{candidate: -1, count: -1}
}

func (mc *MajorityChecker) queryInTree(treeIndex, left, right, queryLeft, queryRight int) segmentItem {
	midTreeIndex, leftTreeIndex, rightTreeIndex := left+(right-left)>>1, mc.leftChild(treeIndex), mc.rightChild(treeIndex)
	if queryLeft <= left && queryRight >= right { // segment completely inside range
		return mc.segmentTree[treeIndex]
	}
	if queryLeft > midTreeIndex {
		return mc.queryInTree(rightTreeIndex, midTreeIndex+1, right, queryLeft, queryRight)
	} else if queryRight <= midTreeIndex {
		return mc.queryInTree(leftTreeIndex, left, midTreeIndex, queryLeft, queryRight)
	}
	// merge query results
	return mc.merge(mc.queryInTree(leftTreeIndex, left, midTreeIndex, queryLeft, midTreeIndex),
		mc.queryInTree(rightTreeIndex, midTreeIndex+1, right, midTreeIndex+1, queryRight))
}

// Query define
func (mc *MajorityChecker) Query(left int, right int, threshold int) int {
	res := mc.query(left, right)
	if _, ok := mc.count[res.candidate]; !ok {
		return -1
	}
	start := sort.Search(len(mc.count[res.candidate]), func(i int) bool { return left <= mc.count[res.candidate][i] })
	end := sort.Search(len(mc.count[res.candidate]), func(i int) bool { return right < mc.count[res.candidate][i] }) - 1
	if (end - start + 1) >= threshold {
		return res.candidate
	}
	return -1
}

/**
 * Your MajorityChecker object will be instantiated and called as such:
 * obj := Constructor(arr);
 * param_1 := obj.Query(left,right,threshold);
 */

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