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题目解析:最大矩形面积问题

题目描述:

给定一个数组,数组中的每个元素代表某种高度。我们需要从中选择 k 个相邻元素,计算这 k 个相邻元素能形成的最大矩形面积。矩形面积的计算公式为:

R(k)=k×min⁡(h[i],h[i+1],...,h[i+k−1])

其中,k 是选取的相邻元素的个数,min(h[i], h[i+1], ..., h[i+k-1]) 是这 k 个相邻元素中的最小值。目标是找到对于任意 k,矩形面积 R(k) 的最大值。

解题思路:

这个问题可以归结为经典的“直方图中最大矩形面积”问题,算法的核心思想是利用单调栈来高效地计算每个柱子能形成的最大矩形面积。

  1. 单调栈的思想

    • 单调栈用于维护当前遍历的柱子的索引,确保栈中的柱子高度是递增的。
    • 如果当前柱子的高度小于栈顶柱子的高度,就需要计算栈顶柱子为高度的最大矩形面积。计算面积时,宽度由栈中的元素位置决定。
    • 在计算完栈顶柱子能形成的矩形后,继续弹出栈顶并重复该过程,直到所有柱子都被处理完。
  2. 如何计算面积

    • 假设我们从栈中弹出一个柱子,作为最小高度的柱子。为了计算它能形成的矩形面积,我们需要计算该柱子能够扩展的宽度。这个宽度是由当前柱子索引和栈中新的栈顶索引之间的距离决定的。
  3. 计算最大矩形面积

    • 在遍历过程中,不断更新最大矩形面积。每次弹出栈顶柱子时,计算它的最大矩形面积并更新结果。

算法步骤

  1. 初始化一个空栈,用于存储柱子的索引,max_area 用于记录当前的最大矩形面积。

  2. 遍历数组,对于每一个柱子:

    • 如果栈为空或当前柱子高度大于栈顶柱子高度,直接将当前柱子入栈。
    • 否则,弹出栈顶元素,计算以栈顶元素为最小高度的矩形面积,并更新 max_area
  3. 遍历完成后,栈中可能还剩下几个柱子,需要继续弹出并计算它们的矩形面积,直到栈为空。

代码实现

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时间复杂度分析

  • 该算法的时间复杂度为 O(n) ,其中 n 是数组的长度。每个柱子最多被压入栈一次,也最多被弹出栈一次,因此时间复杂度为线性。