盛最多水的容器[中等]

一、题目

给定一个长度为n的整数数组height。有n条垂线,第i条线的两个端点是(i, 0)(i, height[i])。找出其中的两条线,使得它们与x轴共同构成的容器可以容纳最多的水。返回容器可以储存的最大水量。也就是求x轴与y轴的面积。

说明:你不能倾斜容器。

示例 1:

输入:[1,8,6,2,5,4,8,3,7]
输出:49
解释:图中垂直线代表输入数组[1,8,6,2,5,4,8,3,7]。在此情况下,容器能够容纳水(表示为蓝色部分)的最大值为49

示例 2:
输入:height = [1,1]
输出:1

二、代码

我们先从题目中的示例开始,一步一步地解释双指针算法的过程。稍后再给出算法正确性的证明。

题目中的示例为:

[1, 8, 6, 2, 5, 4, 8, 3, 7]^                       ^

在初始时,左右指针分别指向数组的左右两端,它们可以容纳的水量为min⁡(1,7)∗8=8

此时我们需要移动一个指针。移动哪一个呢?直觉告诉我们,应该移动对应数字较小的那个指针(即此时的左指针)。这是因为,由于容纳的水量是由

两个指针指向的数字中较小值∗指针之间的距离

决定的。如果我们移动数字较大的那个指针,那么前者「两个指针指向的数字中较小值」不会增加,后者「指针之间的距离」会减小,那么这个乘积会减小。因此,我们移动数字较大的那个指针是不合理的。因此,我们移动 数字较小的那个指针。

::: tip
有读者可能会产生疑问:我们可不可以同时移动两个指针? 先别急,我们先假设 总是移动数字较小的那个指针 的思路是正确的,在走完流程之后,我们再去进行证明。
:::

所以,我们将左指针向右移动:

[1, 8, 6, 2, 5, 4, 8, 3, 7]^                    ^

此时可以容纳的水量为min⁡(8,7)∗7=49。由于右指针对应的数字较小,我们移动右指针:

[1, 8, 6, 2, 5, 4, 8, 3, 7]^                 ^

此时可以容纳的水量为min⁡(8,3)∗6=18。由于右指针对应的数字较小,我们移动右指针:

[1, 8, 6, 2, 5, 4, 8, 3, 7]^              ^

此时可以容纳的水量为min⁡(8,8)∗5=40。两指针对应的数字相同,我们可以任意移动一个,例如左指针:

[1, 8, 6, 2, 5, 4, 8, 3, 7]^           ^

此时可以容纳的水量为min⁡(6,8)∗4=24。由于左指针对应的数字较小,我们移动左指针,并且可以发现,在这之后左指针对应的数字总是较小,因此我们会一直移动左指针,直到两个指针重合。在这期间,对应的可以容纳的水量为:min⁡(2,8)∗3=6min⁡(5,8)∗2=10min⁡(4,8)∗1=4

在我们移动指针的过程中,计算到的最多可以容纳的数量为49,即为最终的答案。

为什么双指针的做法是正确的?

双指针代表了什么?

双指针代表的是 可以作为容器边界的所有位置的范围。在一开始,双指针指向数组的左右边界,表示 数组中所有的位置都可以作为容器的边界,因为我们还没有进行过任何尝试。在这之后,我们每次将 对应的数字较小的那个指针 往 另一个指针 的方向移动一个位置,就表示我们认为 这个指针不可能再作为容器的边界了。

为什么对应的数字较小的那个指针不可能再作为容器的边界了?

在上面的分析部分,我们对这个问题有了一点初步的想法。这里我们定量地进行证明。

考虑第一步,假设当前左指针和右指针指向的数分别为xy,不失一般性,我们假设x≤y。同时,两个指针之间的距离为t。那么,它们组成的容器的容量为:min⁡(x,y)∗t=x∗t

我们可以断定,如果我们保持左指针的位置不变,那么无论右指针在哪里,这个容器的容量都不会超过x∗t了。注意这里右指针只能向左移动,因为 我们考虑的是第一步,也就是 指针还指向数组的左右边界的时候。

我们任意向左移动右指针,指向的数为y1​,两个指针之间的距离为t1​,那么显然有t1<t,并且min⁡(x,y1)≤min⁡(x,y)
【1】如果y1≤y,那么min⁡(x,y1)≤min⁡(x,y)
【2】如果y1>y,那么min⁡(x,y1)=x=min⁡(x,y)

因此有:min⁡(x,yt)∗t1<min⁡(x,y)∗t

即无论我们怎么移动右指针,得到的容器的容量都小于移动前容器的容量。也就是说,这个左指针对应的数不会作为容器的边界了,那么我们就可以丢弃这个位置,将左指针向右移动一个位置,此时新的左指针于原先的右指针之间的左右位置,才可能会作为容器的边界。

这样以来,我们将问题的规模减小了 111,被我们丢弃的那个位置就相当于消失了。此时的左右指针,就指向了一个新的、规模减少了的问题的数组的左右边界,因此,我们可以继续像之前 考虑第一步 那样考虑这个问题:
【1】求出当前双指针对应的容器的容量;
【2】对应数字较小的那个指针以后不可能作为容器的边界了,将其丢弃,并移动对应的指针。

最后的答案是什么?

答案就是我们每次以双指针为左右边界(也就是「数组」的左右边界)计算出的容量中的最大值。

双指针: 定义两个指针leftright, 不断移动hegiht[x]值小的一方。直到left >= right

class Solution {public int maxArea(int[] height) {// 定义两个指针left 和 right, 不断移动 hegiht[x] 值小的一方int left = 0, right = height.length - 1, area = 0;while(left < right) {area = Math.max(area, (right - left) * Math.min(height[left],height[right]));if (height[left] < height[right]) {++left;} else {--right;}}return area;}
}

时间复杂度: O(N),双指针总计最多遍历整个数组一次。
空间复杂度: O(1),只需要额外的常数级别的空间。

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