Leetcode: 0031-0040题速览

Leetcode: 0031-0040题速览

本文材料来自于LeetCode solutions in any programming language | 多种编程语言实现 LeetCode、《剑指 Offer（第 2 版）》、《程序员面试金典（第 6 版）》题解

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31. 下一个排列

题目描述

整数数组的一个 排列  就是将其所有成员以序列或线性顺序排列。

• 例如，arr = [1,2,3] ，以下这些都可以视作 arr 的排列：[1,2,3]、[1,3,2]、[3,1,2]、[2,3,1] 。

整数数组的 下一个排列 是指其整数的下一个字典序更大的排列。更正式地，如果数组的所有排列根据其字典顺序从小到大排列在一个容器中，那么数组的 下一个排列 就是在这个有序容器中排在它后面的那个排列。如果不存在下一个更大的排列，那么这个数组必须重排为字典序最小的排列（即，其元素按升序排列）。

• 例如，arr = [1,2,3] 的下一个排列是 [1,3,2] 。
• 类似地，arr = [2,3,1] 的下一个排列是 [3,1,2] 。
• 而 arr = [3,2,1] 的下一个排列是 [1,2,3] ，因为 [3,2,1] 不存在一个字典序更大的排列。

给你一个整数数组 nums ，找出 nums 的下一个排列。

必须 原地 修改，只允许使用额外常数空间。

示例 1：

输入：nums = [1,2,3]
输出：[1,3,2]

示例 2：

输入：nums = [3,2,1]
输出：[1,2,3]

示例 3：

输入：nums = [1,1,5]
输出：[1,5,1]

提示：

• 1 <= nums.length <= 100
• 0 <= nums[i] <= 100

难度：中等

标签：数组,双指针

解法

方法一：两次遍历

我们先从后往前遍历数组 $nums$，找到第一个满足 $nums[i]<nums[i+1]$ 的位置 $i$，那么 $nums[i]$ 就是我们需要交换的元素，而 $nums[i+1]$ 到 $nums[n-1]$ 的元素是一个降序序列。

接下来，我们再从后往前遍历数组 $nums$，找到第一个满足 $nums[j]>nums[i]$ 的位置 $j$，然后我们交换 $nums[i]$ 和 $nums[j]$。最后，我们将 $nums[i+1]$ 到 $nums[n-1]$ 的元素反转，即可得到下一个排列。

时间复杂度 $O(n)$，空间复杂度 $O(1)$。其中 $n$ 为数组的长度。

Python3

class Solution:
    def nextPermutation(self, nums: List[int]) -> None:
        n = len(nums)
        i = next((i for i in range(n - 2, -1, -1) if nums[i] < nums[i + 1]), -1)
        if ~i:
            j = next((j for j in range(n - 1, i, -1) if nums[j] > nums[i]))
            nums[i], nums[j] = nums[j], nums[i]
        nums[i + 1 :] = nums[i + 1 :][::-1]

Java

class Solution {
    public void nextPermutation(int[] nums) {
        int n = nums.length;
        int i = n - 2;
        for (; i >= 0; --i) {
            if (nums[i] < nums[i + 1]) {
                break;
            }
        }
        if (i >= 0) {
            for (int j = n - 1; j > i; --j) {
                if (nums[j] > nums[i]) {
                    swap(nums, i, j);
                    break;
                }
            }
        }

        for (int j = i + 1, k = n - 1; j < k; ++j, --k) {
            swap(nums, j, k);
        }
    }

    private void swap(int[] nums, int i, int j) {
        int t = nums[j];
        nums[j] = nums[i];
        nums[i] = t;
    }
}

C++

class Solution {
public:
    void nextPermutation(vector<int>& nums) {
        int n = nums.size();
        int i = n - 2;
        while (~i && nums[i] >= nums[i + 1]) {
            --i;
        }
        if (~i) {
            for (int j = n - 1; j > i; --j) {
                if (nums[j] > nums[i]) {
                    swap(nums[i], nums[j]);
                    break;
                }
            }
        }
        reverse(nums.begin() + i + 1, nums.end());
    }
};

32. 最长有效括号

题目描述

给你一个只包含 '(' 和 ')' 的字符串，找出最长有效（格式正确且连续）括号子串的长度。

输入：s = “(()”
输出：2
解释：最长有效括号子串是 “()”

示例 2：

输入：s = “)()())”
输出：4
解释：最长有效括号子串是 “()()”

示例 3：

输入：s = “”
输出：0

提示：

• 0 <= s.length <= 3 * 104
• s[i] 为 '(' 或 ')'

难度：困难

标签：栈,字符串,动态规划

解法

方法一：动态规划

我们定义 $f[i]$ 表示以 $s[i-1]$ 结尾的最长有效括号的长度，那么答案就是 $\underset{i=1}{\overset{n}{\max }}f[i]$。

• 如果 $s[i-1]$ 是左括号，那么以 $s[i-1]$ 结尾的最长有效括号的长度一定为 $0$，因此 $f[i]=0$。
• 如果 $s[i-1]$ 是右括号，有以下两种情况：
  • 如果 $s[i-2]$ 是左括号，那么以 $s[i-1]$ 结尾的最长有效括号的长度为 $f[i-2]+2$。
  • 如果 $s[i-2]$ 是右括号，那么以 $s[i-1]$ 结尾的最长有效括号的长度为 $f[i-1]+2$，但是还需要考虑 $s[i-f[i-1]-2]$ 是否是左括号，如果是左括号，那么以 $s[i-1]$ 结尾的最长有效括号的长度为 $f[i-1]+2+f[i-f[i-1]-2]$。

因此，我们可以得到状态转移方程：

$$\{\begin{array}{ll}f[i]=0,& \text{if }s[i-1]{=}^{\prime }{(}^{\prime },\\ f[i]=f[i-2]+2,& \text{if }s[i-1]{=}^{\prime }{)}^{\prime }\text{ and }s[i-2]{=}^{\prime }{(}^{\prime },\\ f[i]=f[i-1]+2+f[i-f[i-1]-2],& \text{if }s[i-1]{=}^{\prime }{)}^{\prime }\text{ and }s[i-2]{=}^{\prime }{)}^{\prime }\text{ and }s[i-f[i-1]-2]{=}^{\prime }{(}^{\prime },\end{array}$$

最后返回 $\underset{i=1}{\overset{n}{\max }}f[i]$ 即可。

时间复杂度 $O(n)$，空间复杂度 $O(n)$。其中 $n$ 为字符串的长度。

Python3

class Solution:
    def longestValidParentheses(self, s: str) -> int:
        n = len(s)
        f = [0] * (n + 1)
        for i, c in enumerate(s, 1):
            if c == ")":
                if i > 1 and s[i - 2] == "(":
                    f[i] = f[i - 2] + 2
                else:
                    j = i - f[i - 1] - 1
                    if j and s[j - 1] == "(":
                        f[i] = f[i - 1] + 2 + f[j - 1]
        return max(f)

Java

class Solution {
    public int longestValidParentheses(String s) {
        int n = s.length();
        int[] f = new int[n + 1];
        int ans = 0;
        for (int i = 2; i <= n; ++i) {
            if (s.charAt(i - 1) == ')') {
                if (s.charAt(i - 2) == '(') {
                    f[i] = f[i - 2] + 2;
                } else {
                    int j = i - f[i - 1] - 1;
                    if (j > 0 && s.charAt(j - 1) == '(') {
                        f[i] = f[i - 1] + 2 + f[j - 1];
                    }
                }
                ans = Math.max(ans, f[i]);
            }
        }
        return ans;
    }
}

C++

class Solution {
public:
    int longestValidParentheses(string s) {
        int n = s.size();
        int f[n + 1];
        memset(f, 0, sizeof(f));
        for (int i = 2; i <= n; ++i) {
            if (s[i - 1] == ')') {
                if (s[i - 2] == '(') {
                    f[i] = f[i - 2] + 2;
                } else {
                    int j = i - f[i - 1] - 1;
                    if (j && s[j - 1] == '(') {
                        f[i] = f[i - 1] + 2 + f[j - 1];
                    }
                }
            }
        }
        return *max_element(f, f + n + 1);
    }
};

33. 搜索旋转排序数组

题目描述

整数数组 nums 按升序排列，数组中的值 互不相同 。

在传递给函数之前，nums 在预先未知的某个下标 k（0 <= k < nums.length）上进行了 旋转，使数组变为 [nums[k], nums[k+1], ..., nums[n-1], nums[0], nums[1], ..., nums[k-1]]（下标 从 0 开始 计数）。例如， [0,1,2,4,5,6,7] 在下标 3 处经旋转后可能变为 [4,5,6,7,0,1,2] 。

给你 旋转后 的数组 nums 和一个整数 target ，如果 nums 中存在这个目标值 target ，则返回它的下标，否则返回 -1 。

你必须设计一个时间复杂度为 O(log n) 的算法解决此问题。

示例 1：

输入：nums = [4,5,6,7,0,1,2], target = 0
输出：4

示例 2：

输入：nums = [4,5,6,7,0,1,2], target = 3
输出：-1

示例 3：

输入：nums = [1], target = 0
输出：-1

提示：

• 1 <= nums.length <= 5000
• -104 <= nums[i] <= 104
• nums 中的每个值都 独一无二
• 题目数据保证 nums 在预先未知的某个下标上进行了旋转
• -104 <= target <= 104

难度：中等

标签：数组,二分查找

解法

方法一：二分查找

我们使用二分，将数组分割成 $[left,..mid]$, $[mid+1,..right]$ 两部分，这时候可以发现，其中有一部分一定是有序的。

因此，我们可以根据有序的那一部分，判断 $target$ 是否在这一部分中：

• 若 $[0,..mid]$ 范围内的元素构成有序数组：
  • 若满足 $nums[0]\le target\le nums[mid]$，那么我们搜索范围可以缩小为 $[left,..mid]$；
  • 否则，在 $[mid+1,..right]$ 中查找；
• 若 $[mid+1,n-1]$ 范围内的元素构成有序数组：
  • 若满足 $nums[mid]<target\le nums[n-1]$，那么我们搜索范围可以缩小为 $[mid+1,..right]$；
  • 否则，在 $[left,..mid]$ 中查找。

二分查找终止条件是 $left\ge right$，若结束后发现 $nums[left]$ 与 $target$ 不等，说明数组中不存在值为 $target$ 的元素，返回 $-1$，否则返回下标 $left$。

时间复杂度 $O(\log n)$，其中 $n$ 是数组 $nums$ 的长度。空间复杂度 $O(1)$。

Python3

class Solution:
    def search(self, nums: List[int], target: int) -> int:
        n = len(nums)
        left, right = 0, n - 1
        while left < right:
            mid = (left + right) >> 1
            if nums[0] <= nums[mid]:
                if nums[0] <= target <= nums[mid]:
                    right = mid
                else:
                    left = mid + 1
            else:
                if nums[mid] < target <= nums[n - 1]:
                    left = mid + 1
                else:
                    right = mid
        return left if nums[left] == target else -1

Java

class Solution {
    public int search(int[] nums, int target) {
        int n = nums.length;
        int left = 0, right = n - 1;
        while (left < right) {
            int mid = (left + right) >> 1;
            if (nums[0] <= nums[mid]) {
                if (nums[0] <= target && target <= nums[mid]) {
                    right = mid;
                } else {
                    left = mid + 1;
                }
            } else {
                if (nums[mid] < target && target <= nums[n - 1]) {
                    left = mid + 1;
                } else {
                    right = mid;
                }
            }
        }
        return nums[left] == target ? left : -1;
    }
}

C++

class Solution {
public:
    int search(vector<int>& nums, int target) {
        int n = nums.size();
        int left = 0, right = n - 1;
        while (left < right) {
            int mid = (left + right) >> 1;
            if (nums[0] <= nums[mid]) {
                if (nums[0] <= target && target <= nums[mid])
                    right = mid;
                else
                    left = mid + 1;
            } else {
                if (nums[mid] < target && target <= nums[n - 1])
                    left = mid + 1;
                else
                    right = mid;
            }
        }
        return nums[left] == target ? left : -1;
    }
};

34. 在排序数组中查找元素的第一个和最后一个位置

题目描述

给你一个按照非递减顺序排列的整数数组 nums，和一个目标值 target。请你找出给定目标值在数组中的开始位置和结束位置。

如果数组中不存在目标值 target，返回 [-1, -1]。

你必须设计并实现时间复杂度为 O(log n) 的算法解决此问题。

示例 1：

输入：nums = [5,7,7,8,8,10], target = 8
输出：[3,4]

示例 2：

输入：nums = [5,7,7,8,8,10], target = 6
输出：[-1,-1]

示例 3：

输入：nums = [], target = 0
输出：[-1,-1]

提示：

• 0 <= nums.length <= 105
• -109 <= nums[i] <= 109
• nums 是一个非递减数组
• -109 <= target <= 109

难度：中等

标签：数组,二分查找

解法

方法一：二分查找

我们可以进行两次二分查找，分别查找出左边界和右边界。

时间复杂度 $O(\log n)$，空间复杂度 $O(1)$。其中 $n$ 是数组 $nums$ 的长度。

以下是二分查找的两个通用模板：

模板 1：

boolean check(int x) {
}

int search(int left, int right) {
    while (left < right) {
        int mid = (left + right) >> 1;
        if (check(mid)) {
            right = mid;
        } else {
            left = mid + 1;
        }
    }
    return left;
}

模板 2：

boolean check(int x) {
}

int search(int left, int right) {
    while (left < right) {
        int mid = (left + right + 1) >> 1;
        if (check(mid)) {
            left = mid;
        } else {
            right = mid - 1;
        }
    }
    return left;
}

做二分题目时，可以按照以下套路：

1. 写出循环条件 $left<right$；
2. 循环体内，不妨先写 $mid=\lfloor \frac{left+right}{2}\rfloor$；
3. 根据具体题目，实现 $check()$ 函数（有时很简单的逻辑，可以不定义 $check$），想一下究竟要用 $right=mid$（模板 $1$） 还是 $left=mid$（模板 $2$）；
   - 如果 $right=mid$，那么写出 else 语句 $left=mid+1$，并且不需要更改 mid 的计算，即保持 $mid=\lfloor \frac{left+right}{2}\rfloor$；
   - 如果 $left=mid$，那么写出 else 语句 $right=mid-1$，并且在 $mid$ 计算时补充 +1，即 $mid=\lfloor \frac{left+right+1}{2}\rfloor$；
4. 循环结束时， $left$ 与 $right$ 相等。

注意，这两个模板的优点是始终保持答案位于二分区间内，二分结束条件对应的值恰好在答案所处的位置。 对于可能无解的情况，只要判断二分结束后的 $left$ 或者 $right$ 是否满足题意即可。

Python3

class Solution:
    def searchRange(self, nums: List[int], target: int) -> List[int]:
        l = bisect_left(nums, target)
        r = bisect_left(nums, target + 1)
        return [-1, -1] if l == r else [l, r - 1]

Java

class Solution {
    public int[] searchRange(int[] nums, int target) {
        int l = search(nums, target);
        int r = search(nums, target + 1);
        return l == r ? new int[] {-1, -1} : new int[] {l, r - 1};
    }

    private int search(int[] nums, int x) {
        int left = 0, right = nums.length;
        while (left < right) {
            int mid = (left + right) >>> 1;
            if (nums[mid] >= x) {
                right = mid;
            } else {
                left = mid + 1;
            }
        }
        return left;
    }
}

C++

class Solution {
public:
    vector<int> searchRange(vector<int>& nums, int target) {
        int l = lower_bound(nums.begin(), nums.end(), target) - nums.begin();
        int r = lower_bound(nums.begin(), nums.end(), target + 1) - nums.begin();
        if (l == r) return {-1, -1};
        return {l, r - 1};
    }
};

35. 搜索插入位置

题目描述

给定一个排序数组和一个目标值，在数组中找到目标值，并返回其索引。如果目标值不存在于数组中，返回它将会被按顺序插入的位置。

请必须使用时间复杂度为 O(log n) 的算法。

示例 1:

输入: nums = [1,3,5,6], target = 5
输出: 2

示例 2:

输入: nums = [1,3,5,6], target = 2
输出: 1

示例 3:

输入: nums = [1,3,5,6], target = 7
输出: 4

提示:

• 1 <= nums.length <= 104
• -104 <= nums[i] <= 104
• nums 为 无重复元素 的 升序 排列数组
• -104 <= target <= 104

难度：简单

标签：数组,二分查找

解法

方法一：二分查找

由于 $nums$ 数组已经有序，因此我们可以使用二分查找的方法找到目标值 $target$ 的插入位置。

时间复杂度 $O(\log n)$，空间复杂度 $O(1)$。其中 $n$ 为数组 $nums$ 的长度。

Python3

class Solution:
    def searchInsert(self, nums: List[int], target: int) -> int:
        l, r = 0, len(nums)
        while l < r:
            mid = (l + r) >> 1
            if nums[mid] >= target:
                r = mid
            else:
                l = mid + 1
        return l

Java

class Solution {
    public int searchInsert(int[] nums, int target) {
        int l = 0, r = nums.length;
        while (l < r) {
            int mid = (l + r) >>> 1;
            if (nums[mid] >= target) {
                r = mid;
            } else {
                l = mid + 1;
            }
        }
        return l;
    }
}

C++

class Solution {
public:
    int searchInsert(vector<int>& nums, int target) {
        int l = 0, r = nums.size();
        while (l < r) {
            int mid = (l + r) >> 1;
            if (nums[mid] >= target) {
                r = mid;
            } else {
                l = mid + 1;
            }
        }
        return l;
    }
};

36. 有效的数独

题目描述

请你判断一个 9 x 9 的数独是否有效。只需要 根据以下规则 ，验证已经填入的数字是否有效即可。

1. 数字 1-9 在每一行只能出现一次。
2. 数字 1-9 在每一列只能出现一次。
3. 数字 1-9 在每一个以粗实线分隔的 3x3 宫内只能出现一次。（请参考示例图）

注意：

• 一个有效的数独（部分已被填充）不一定是可解的。
• 只需要根据以上规则，验证已经填入的数字是否有效即可。
• 空白格用 '.' 表示。

示例 1：

输入：board =
[[“5”,“3”,“.”,“.”,“7”,“.”,“.”,“.”,“.”]
,[“6”,“.”,“.”,“1”,“9”,“5”,“.”,“.”,“.”]
,[“.”,“9”,“8”,“.”,“.”,“.”,“.”,“6”,“.”]
,[“8”,“.”,“.”,“.”,“6”,“.”,“.”,“.”,“3”]
,[“4”,“.”,“.”,“8”,“.”,“3”,“.”,“.”,“1”]
,[“7”,“.”,“.”,“.”,“2”,“.”,“.”,“.”,“6”]
,[“.”,“6”,“.”,“.”,“.”,“.”,“2”,“8”,“.”]
,[“.”,“.”,“.”,“4”,“1”,“9”,“.”,“.”,“5”]
,[“.”,“.”,“.”,“.”,“8”,“.”,“.”,“7”,“9”]]
输出：true

示例 2：

输入：board =
[[“8”,“3”,“.”,“.”,“7”,“.”,“.”,“.”,“.”]
,[“6”,“.”,“.”,“1”,“9”,“5”,“.”,“.”,“.”]
,[“.”,“9”,“8”,“.”,“.”,“.”,“.”,“6”,“.”]
,[“8”,“.”,“.”,“.”,“6”,“.”,“.”,“.”,“3”]
,[“4”,“.”,“.”,“8”,“.”,“3”,“.”,“.”,“1”]
,[“7”,“.”,“.”,“.”,“2”,“.”,“.”,“.”,“6”]
,[“.”,“6”,“.”,“.”,“.”,“.”,“2”,“8”,“.”]
,[“.”,“.”,“.”,“4”,“1”,“9”,“.”,“.”,“5”]
,[“.”,“.”,“.”,“.”,“8”,“.”,“.”,“7”,“9”]]
输出：false
解释：除了第一行的第一个数字从 5 改为 8 以外，空格内其他数字均与 示例1 相同。 但由于位于左上角的 3x3 宫内有两个 8 存在, 因此这个数独是无效的。

提示：

• board.length == 9
• board[i].length == 9
• board[i][j] 是一位数字（1-9）或者 '.'

难度：中等

标签：数组,哈希表,矩阵

解法

方法一：一次遍历

有效的数独满足以下三个条件：

• 每一行中的数字都不重复；
• 每一列中的数字都不重复；
• 每一个 $3\times 3$ 的宫格中的数字都不重复。

遍历数独，对于每个数字，判断其所在的行、列 以及 $3\times 3$ 的宫格是否已经出现过该数字，如果是，则返回 false。遍历结束，返回 true。

时间复杂度 $O(C)$，空间复杂度 $O(C)$，其中 $C$ 是数独中的空格数。本题中 $C=81$。

Python3

class Solution:
    def isValidSudoku(self, board: List[List[str]]) -> bool:
        row = [[False] * 9 for _ in range(9)]
        col = [[False] * 9 for _ in range(9)]
        sub = [[False] * 9 for _ in range(9)]
        for i in range(9):
            for j in range(9):
                c = board[i][j]
                if c == '.':
                    continue
                num = int(c) - 1
                k = i // 3 * 3 + j // 3
                if row[i][num] or col[j][num] or sub[k][num]:
                    return False
                row[i][num] = True
                col[j][num] = True
                sub[k][num] = True
        return True

Java

class Solution {
    public boolean isValidSudoku(char[][] board) {
        boolean[][] row = new boolean[9][9];
        boolean[][] col = new boolean[9][9];
        boolean[][] sub = new boolean[9][9];
        for (int i = 0; i < 9; ++i) {
            for (int j = 0; j < 9; ++j) {
                char c = board[i][j];
                if (c == '.') {
                    continue;
                }
                int num = c - '0' - 1;
                int k = i / 3 * 3 + j / 3;
                if (row[i][num] || col[j][num] || sub[k][num]) {
                    return false;
                }
                row[i][num] = true;
                col[j][num] = true;
                sub[k][num] = true;
            }
        }
        return true;
    }
}

C++

class Solution {
public:
    bool isValidSudoku(vector<vector<char>>& board) {
        vector<vector<bool>> row(9, vector<bool>(9, false));
        vector<vector<bool>> col(9, vector<bool>(9, false));
        vector<vector<bool>> sub(9, vector<bool>(9, false));
        for (int i = 0; i < 9; ++i) {
            for (int j = 0; j < 9; ++j) {
                char c = board[i][j];
                if (c == '.') continue;
                int num = c - '0' - 1;
                int k = i / 3 * 3 + j / 3;
                if (row[i][num] || col[j][num] || sub[k][num]) {
                    return false;
                }
                row[i][num] = true;
                col[j][num] = true;
                sub[k][num] = true;
            }
        }
        return true;
    }
};

37. 解数独

题目描述

编写一个程序，通过填充空格来解决数独问题。

数独的解法需 遵循如下规则：

1. 数字 1-9 在每一行只能出现一次。
2. 数字 1-9 在每一列只能出现一次。
3. 数字 1-9 在每一个以粗实线分隔的 3x3 宫内只能出现一次。（请参考示例图）

数独部分空格内已填入了数字，空白格用 '.' 表示。

输入：board = [[“5”,“3”,“.”,“.”,“7”,“.”,“.”,“.”,“.”],[“6”,“.”,“.”,“1”,“9”,“5”,“.”,“.”,“.”],[“.”,“9”,“8”,“.”,“.”,“.”,“.”,“6”,“.”],[“8”,“.”,“.”,“.”,“6”,“.”,“.”,“.”,“3”],[“4”,“.”,“.”,“8”,“.”,“3”,“.”,“.”,“1”],[“7”,“.”,“.”,“.”,“2”,“.”,“.”,“.”,“6”],[“.”,“6”,“.”,“.”,“.”,“.”,“2”,“8”,“.”],[“.”,“.”,“.”,“4”,“1”,“9”,“.”,“.”,“5”],[“.”,“.”,“.”,“.”,“8”,“.”,“.”,“7”,“9”]]
输出：[[“5”,“3”,“4”,“6”,“7”,“8”,“9”,“1”,“2”],[“6”,“7”,“2”,“1”,“9”,“5”,“3”,“4”,“8”],[“1”,“9”,“8”,“3”,“4”,“2”,“5”,“6”,“7”],[“8”,“5”,“9”,“7”,“6”,“1”,“4”,“2”,“3”],[“4”,“2”,“6”,“8”,“5”,“3”,“7”,“9”,“1”],[“7”,“1”,“3”,“9”,“2”,“4”,“8”,“5”,“6”],[“9”,“6”,“1”,“5”,“3”,“7”,“2”,“8”,“4”],[“2”,“8”,“7”,“4”,“1”,“9”,“6”,“3”,“5”],[“3”,“4”,“5”,“2”,“8”,“6”,“1”,“7”,“9”]]
解释：输入的数独如上图所示，唯一有效的解决方案如下所示：

提示：

• board.length == 9
• board[i].length == 9
• board[i][j] 是一位数字或者 '.'
• 题目数据 保证 输入数独仅有一个解

难度：困难

标签：数组,哈希表,回溯,矩阵

解法

方法一：回溯

我们用数组 row、col、box 分别记录每一行、每一列、每个 3x3 宫格中数字是否出现过。如果数字 i 在第 r 行、第 c 列、第 b 个 3x3 宫格中出现过，那么 row[r][i]、col[c][i]、box[b][i] 都为 true。

我们遍历 board 的每一个空格，枚举它可以填入的数字 v，如果 v 在当前行、当前列、当前 3x3 宫格中没有出现过，那么我们就可以尝试填入数字 v，并继续搜索下一个空格。如果搜索到最后，所有空格填充完毕，那么就说明找到了一个可行解。

时间复杂度 $O(9^{81})$，空间复杂度 $O(9^2)$。

Python3

class Solution:
    def solveSudoku(self, board: List[List[str]]) -> None:
        def dfs(k):
            nonlocal ok
            if k == len(t):
                ok = True
                return
            i, j = t[k]
            for v in range(9):
                if row[i][v] == col[j][v] == block[i // 3][j // 3][v] == False:
                    row[i][v] = col[j][v] = block[i // 3][j // 3][v] = True
                    board[i][j] = str(v + 1)
                    dfs(k + 1)
                    row[i][v] = col[j][v] = block[i // 3][j // 3][v] = False
                if ok:
                    return

        row = [[False] * 9 for _ in range(9)]
        col = [[False] * 9 for _ in range(9)]
        block = [[[False] * 9 for _ in range(3)] for _ in range(3)]
        t = []
        ok = False
        for i in range(9):
            for j in range(9):
                if board[i][j] == '.':
                    t.append((i, j))
                else:
                    v = int(board[i][j]) - 1
                    row[i][v] = col[j][v] = block[i // 3][j // 3][v] = True
        dfs(0)

Java

class Solution {
    private boolean ok;
    private char[][] board;
    private List<Integer> t = new ArrayList<>();
    private boolean[][] row = new boolean[9][9];
    private boolean[][] col = new boolean[9][9];
    private boolean[][][] block = new boolean[3][3][9];

    public void solveSudoku(char[][] board) {
        this.board = board;
        for (int i = 0; i < 9; ++i) {
            for (int j = 0; j < 9; ++j) {
                if (board[i][j] == '.') {
                    t.add(i * 9 + j);
                } else {
                    int v = board[i][j] - '1';
                    row[i][v] = col[j][v] = block[i / 3][j / 3][v] = true;
                }
            }
        }
        dfs(0);
    }

    private void dfs(int k) {
        if (k == t.size()) {
            ok = true;
            return;
        }
        int i = t.get(k) / 9, j = t.get(k) % 9;
        for (int v = 0; v < 9; ++v) {
            if (!row[i][v] && !col[j][v] && !block[i / 3][j / 3][v]) {
                row[i][v] = col[j][v] = block[i / 3][j / 3][v] = true;
                board[i][j] = (char) (v + '1');
                dfs(k + 1);
                row[i][v] = col[j][v] = block[i / 3][j / 3][v] = false;
            }
            if (ok) {
                return;
            }
        }
    }
}

C++

using pii = pair<int, int>;

class Solution {
public:
    void solveSudoku(vector<vector<char>>& board) {
        bool row[9][9] = {false};
        bool col[9][9] = {false};
        bool block[3][3][9] = {false};
        bool ok = false;
        vector<pii> t;
        for (int i = 0; i < 9; ++i) {
            for (int j = 0; j < 9; ++j) {
                if (board[i][j] == '.') {
                    t.push_back({i, j});
                } else {
                    int v = board[i][j] - '1';
                    row[i][v] = col[j][v] = block[i / 3][j / 3][v] = true;
                }
            }
        }
        function<void(int k)> dfs = [&](int k) {
            if (k == t.size()) {
                ok = true;
                return;
            }
            int i = t[k].first, j = t[k].second;
            for (int v = 0; v < 9; ++v) {
                if (!row[i][v] && !col[j][v] && !block[i / 3][j / 3][v]) {
                    row[i][v] = col[j][v] = block[i / 3][j / 3][v] = true;
                    board[i][j] = v + '1';
                    dfs(k + 1);
                    row[i][v] = col[j][v] = block[i / 3][j / 3][v] = false;
                }
                if (ok) {
                    return;
                }
            }
        };
        dfs(0);
    }
};

38. 外观数列

题目描述

「外观数列」是一个数位字符串序列，由递归公式定义：

• countAndSay(1) = "1"
• countAndSay(n) 是 countAndSay(n-1) 的行程长度编码。

行程长度编码（RLE）是一种字符串压缩方法，其工作原理是通过将连续相同字符（重复两次或更多次）替换为字符重复次数（运行长度）和字符的串联。例如，要压缩字符串 "3322251" ，我们将 "33" 用 "23" 替换，将 "222" 用 "32" 替换，将 "5" 用 "15" 替换并将 "1" 用 "11" 替换。因此压缩后字符串变为 "23321511"。

给定一个整数 n ，返回 外观数列 的第 n 个元素。

示例 1：

输出："1211"

解释：

countAndSay(1) = "1"

countAndSay(2) = "1" 的行程长度编码 = "11"

countAndSay(3) = "11" 的行程长度编码 = "21"

countAndSay(4) = "21" 的行程长度编码 = "1211"

示例 2：

输出："1"

解释：

这是基本情况。

提示：

• 1 <= n <= 30

难度：中等

标签：字符串

解法

方法一

Python3

class Solution:
    def countAndSay(self, n: int) -> str:
        s = '1'
        for _ in range(n - 1):
            i = 0
            t = []
            while i < len(s):
                j = i
                while j < len(s) and s[j] == s[i]:
                    j += 1
                t.append(str(j - i))
                t.append(str(s[i]))
                i = j
            s = ''.join(t)
        return s

Java

class Solution {
    public String countAndSay(int n) {
        String s = "1";
        while (--n > 0) {
            StringBuilder t = new StringBuilder();
            for (int i = 0; i < s.length();) {
                int j = i;
                while (j < s.length() && s.charAt(j) == s.charAt(i)) {
                    ++j;
                }
                t.append((j - i) + "");
                t.append(s.charAt(i));
                i = j;
            }
            s = t.toString();
        }
        return s;
    }
}

C++

class Solution {
public:
    string countAndSay(int n) {
        string s = "1";
        while (--n) {
            string t = "";
            for (int i = 0; i < s.size();) {
                int j = i;
                while (j < s.size() && s[j] == s[i]) ++j;
                t += to_string(j - i);
                t += s[i];
                i = j;
            }
            s = t;
        }
        return s;
    }
};

39. 组合总和

题目描述

给你一个 无重复元素 的整数数组 candidates 和一个目标整数 target ，找出 candidates 中可以使数字和为目标数 target 的 所有 不同组合 ，并以列表形式返回。你可以按 任意顺序 返回这些组合。

candidates 中的 同一个 数字可以 无限制重复被选取 。如果至少一个数字的被选数量不同，则两种组合是不同的。 

对于给定的输入，保证和为 target 的不同组合数少于 150 个。

示例 1：

输入：candidates = [2,3,6,7], target = 7
输出：[[2,2,3],[7]]
解释：
2 和 3 可以形成一组候选，2 + 2 + 3 = 7 。注意 2 可以使用多次。
7 也是一个候选， 7 = 7 。
仅有这两种组合。

示例 2：

输入: candidates = [2,3,5], target = 8
输出: [[2,2,2,2],[2,3,3],[3,5]]

示例 3：

输入: candidates = [2], target = 1
输出: []

提示：

• 1 <= candidates.length <= 30
• 2 <= candidates[i] <= 40
• candidates 的所有元素 互不相同
• 1 <= target <= 40

难度：中等

标签：数组,回溯

解法

方法一：排序 + 剪枝 + 回溯

我们可以先对数组进行排序，方便剪枝。

接下来，我们设计一个函数 $dfs(i,s)$，表示从下标 $i$ 开始搜索，且剩余目标值为 $s$，其中 $i$ 和 $s$ 都是非负整数，当前搜索路径为 $t$，答案为 $ans$。

在函数 $dfs(i,s)$ 中，我们先判断 $s$ 是否为 $0$，如果是，则将当前搜索路径 $t$ 加入答案 $ans$ 中，然后返回。如果 $s<candidates[i]$，说明当前下标及后面的下标的元素都大于剩余目标值 $s$，路径不合法，直接返回。否则，我们从下标 $i$ 开始搜索，搜索的下标范围是 $j\in [i,n)$，其中 $n$ 为数组 $candidates$ 的长度。在搜索的过程中，我们将当前下标的元素加入搜索路径 $t$，递归调用函数 $dfs(j,s-candidates[j])$，递归结束后，将当前下标的元素从搜索路径 $t$ 中移除。

在主函数中，我们只要调用函数 $dfs(0,target)$，即可得到答案。

时间复杂度 $O(2^n\times n)$，空间复杂度 $O(n)$。其中 $n$ 为数组 $candidates$ 的长度。由于剪枝，实际的时间复杂度要远小于 $O(2^n\times n)$。

相似题目：

• 40. 组合总和 II
• 77. 组合
• 216. 组合总和 III

Python3

class Solution:
    def combinationSum(self, candidates: List[int], target: int) -> List[List[int]]:
        def dfs(i: int, s: int):
            if s == 0:
                ans.append(t[:])
                return
            if s < candidates[i]:
                return
            for j in range(i, len(candidates)):
                t.append(candidates[j])
                dfs(j, s - candidates[j])
                t.pop()

        candidates.sort()
        t = []
        ans = []
        dfs(0, target)
        return ans

Java

class Solution {
    private List<List<Integer>> ans = new ArrayList<>();
    private List<Integer> t = new ArrayList<>();
    private int[] candidates;

    public List<List<Integer>> combinationSum(int[] candidates, int target) {
        Arrays.sort(candidates);
        this.candidates = candidates;
        dfs(0, target);
        return ans;
    }

    private void dfs(int i, int s) {
        if (s == 0) {
            ans.add(new ArrayList(t));
            return;
        }
        if (s < candidates[i]) {
            return;
        }
        for (int j = i; j < candidates.length; ++j) {
            t.add(candidates[j]);
            dfs(j, s - candidates[j]);
            t.remove(t.size() - 1);
        }
    }
}

C++

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> combinationSum(vector<int>& candidates, int target) {
        sort(candidates.begin(), candidates.end());
        vector<vector<int>> ans;
        vector<int> t;
        function<void(int, int)> dfs = [&](int i, int s) {
            if (s == 0) {
                ans.emplace_back(t);
                return;
            }
            if (s < candidates[i]) {
                return;
            }
            for (int j = i; j < candidates.size(); ++j) {
                t.push_back(candidates[j]);
                dfs(j, s - candidates[j]);
                t.pop_back();
            }
        };
        dfs(0, target);
        return ans;
    }
};

40. 组合总和 II

题目描述

给定一个候选人编号的集合 candidates 和一个目标数 target ，找出 candidates 中所有可以使数字和为 target 的组合。

candidates 中的每个数字在每个组合中只能使用 一次 。

注意：解集不能包含重复的组合。 

示例 1:

输入: candidates = [10,1,2,7,6,1,5], target = 8,
输出:
[
[1,1,6],
[1,2,5],
[1,7],
[2,6]
]

示例 2:

输入: candidates = [2,5,2,1,2], target = 5,
输出:
[
[1,2,2],
[5]
]

提示:

• 1 <= candidates.length <= 100
• 1 <= candidates[i] <= 50
• 1 <= target <= 30

难度：中等

标签：数组,回溯

解法

方法一：排序 + 剪枝 + 回溯

我们可以先对数组进行排序，方便剪枝以及跳过重复的数字。

接下来，我们设计一个函数 $dfs(i,s)$，表示从下标 $i$ 开始搜索，且剩余目标值为 $s$，其中 $i$ 和 $s$ 都是非负整数，当前搜索路径为 $t$，答案为 $ans$。

在函数 $dfs(i,s)$ 中，我们先判断 $s$ 是否为 $0$，如果是，则将当前搜索路径 $t$ 加入答案 $ans$ 中，然后返回。如果 $i\ge n$，或者 $s<candidates[i]$，说明当前路径不合法，直接返回。否则，我们从下标 $i$ 开始搜索，搜索的下标范围是 $j\in [i,n)$，其中 $n$ 为数组 $candidates$ 的长度。在搜索的过程中，如果 $j>i$ 并且 $candidates[j]=candidates[j-1]$，说明当前数字与上一个数字相同，我们可以跳过当前数字，因为上一个数字已经搜索过了。否则，我们将当前数字加入搜索路径 $t$ 中，然后递归调用函数 $dfs(j+1,s-candidates[j])$，然后将当前数字从搜索路径 $t$ 中移除。

在主函数中，我们只要调用函数 $dfs(0,target)$，即可得到答案。

时间复杂度 $O(2^n\times n)$，空间复杂度 $O(n)$。其中 $n$ 为数组 $candidates$ 的长度。由于剪枝，实际的时间复杂度要远小于 $O(2^n\times n)$。

相似题目：

• 39. 组合总和
• 77. 组合
• 216. 组合总和 III

Python3

class Solution:
    def combinationSum2(self, candidates: List[int], target: int) -> List[List[int]]:
        def dfs(i: int, s: int):
            if s == 0:
                ans.append(t[:])
                return
            if i >= len(candidates) or s < candidates[i]:
                return
            for j in range(i, len(candidates)):
                if j > i and candidates[j] == candidates[j - 1]:
                    continue
                t.append(candidates[j])
                dfs(j + 1, s - candidates[j])
                t.pop()

        candidates.sort()
        ans = []
        t = []
        dfs(0, target)
        return ans

Java

class Solution {
    private List<List<Integer>> ans = new ArrayList<>();
    private List<Integer> t = new ArrayList<>();
    private int[] candidates;

    public List<List<Integer>> combinationSum2(int[] candidates, int target) {
        Arrays.sort(candidates);
        this.candidates = candidates;
        dfs(0, target);
        return ans;
    }

    private void dfs(int i, int s) {
        if (s == 0) {
            ans.add(new ArrayList<>(t));
            return;
        }
        if (i >= candidates.length || s < candidates[i]) {
            return;
        }
        for (int j = i; j < candidates.length; ++j) {
            if (j > i && candidates[j] == candidates[j - 1]) {
                continue;
            }
            t.add(candidates[j]);
            dfs(j + 1, s - candidates[j]);
            t.remove(t.size() - 1);
        }
    }
}

C++

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> combinationSum2(vector<int>& candidates, int target) {
        sort(candidates.begin(), candidates.end());
        vector<vector<int>> ans;
        vector<int> t;
        function<void(int, int)> dfs = [&](int i, int s) {
            if (s == 0) {
                ans.emplace_back(t);
                return;
            }
            if (i >= candidates.size() || s < candidates[i]) {
                return;
            }
            for (int j = i; j < candidates.size(); ++j) {
                if (j > i && candidates[j] == candidates[j - 1]) {
                    continue;
                }
                t.emplace_back(candidates[j]);
                dfs(j + 1, s - candidates[j]);
                t.pop_back();
            }
        };
        dfs(0, target);
        return ans;
    }
};