LeetCode 459. 重复的子字符串

leetcode.cn/problems/re…

programmercarl.com/0459.%E9%87…

给定一个非空的字符串 s ，检查是否可以通过由它的一个子串重复多次构成。

 

示例 1:

输入: s = "abab"
输出: true
解释: 可由子串 "ab" 重复两次构成。

示例 2:

输入: s = "aba"
输出: false

示例 3:

输入: s = "abcabcabcabc"
输出: true
解释: 可由子串 "abc" 重复四次构成。 (或子串 "abcabc" 重复两次构成。)

 

提示：

• 1 <= s.length <= 104
• s 由小写英文字母组成

以下使用KMP方式讲解，强烈建议大家先把以下两个视频看了，理解KMP算法，再来看下面讲解，否则会很懵。

• 视频讲解版：帮你把KMP算法学个通透！（理论篇）(opens new window)
• 视频讲解版：帮你把KMP算法学个通透！（求next数组代码篇）(opens new window)
• 文字讲解版：KMP算法(opens new window)

在一个串中查找是否出现过另一个串，这是KMP的看家本领。那么寻找重复子串怎么也涉及到KMP算法了呢？

KMP算法中next数组为什么遇到字符不匹配的时候可以找到上一个匹配过的位置继续匹配，靠的是有计算好的前缀表。

前缀表里，统计了各个位置为终点字符串的最长相同前后缀的长度。

那么 最长相同前后缀和重复子串的关系又有什么关系呢。

可能很多录友又忘了 前缀和后缀的定义，再回顾一下：

• 前缀是指不包含最后一个字符的所有以第一个字符开头的连续子串；
• 后缀是指不包含第一个字符的所有以最后一个字符结尾的连续子串

充分性证明

如果一个字符串s是由重复子串组成，那么 最长相等前后缀不包含的子串一定是字符串s的最小重复子串。

如果s 是由最小重复子串p组成，即 s = n * p

那么相同前后缀可以是这样：

也可以是这样：

最长的相等前后缀，也就是这样：

这里有录友就想：如果字符串s 是由最小重复子串p组成，最长相等前后缀就不能更长一些？ 例如这样：

如果这样的话，因为前后缀要相同，所以 p2 = p1，p3 = p2，如图：

p2 = p1，p3 = p2 即： p1 = p2 = p3

说明 p = p1 * 3。

这样p 就不是最小重复子串了，不符合我们定义的条件。

所以，如果这个字符串s是由重复子串组成，那么最长相等前后缀不包含的子串是字符串s的最小重复子串。

必要性证明

以上是充分性证明，以下是必要性证明：

如果 最长相等前后缀不包含的子串是字符串s的最小重复子串， 那么字符串s一定由重复子串组成吗？

最长相等前后缀不包含的子串已经是字符串s的最小重复子串，那么字符串s一定由重复子串组成，这个不需要证明了。

关键是要证明：最长相等前后缀不包含的子串什么时候才是字符串s的最小重复子串呢。

情况一， 最长相等前后缀不包含的子串的长度 比 字符串s的一半的长度还大，那一定不是字符串s的重复子串，如图：

图中：前后缀不包含的子串的长度 大于 字符串s的长度的 二分之一

---

情况二，最长相等前后缀不包含的子串的长度 可以被 字符串s的长度整除，如图：

步骤一：因为 这是相等的前缀和后缀，t[0] 与 k[0]相同， t[1] 与 k[1]相同，所以 s[0] 一定和 s[2]相同，s[1] 一定和 s[3]相同，即：，s[0]s[1]与s[2]s[3]相同 。

步骤二： 因为在同一个字符串位置，所以 t[2] 与 k[0]相同，t[3] 与 k[1]相同。

步骤三： 因为 这是相等的前缀和后缀，t[2] 与 k[2]相同 ，t[3]与k[3] 相同，所以，s[2]一定和s[4]相同，s[3]一定和s[5]相同，即：s[2]s[3] 与 s[4]s[5]相同。

步骤四：循环往复。

所以字符串s，s[0]s[1]与s[2]s[3]相同， s[2]s[3] 与 s[4]s[5]相同，s[4]s[5] 与 s[6]s[7] 相同。

可以推出，在由重复子串组成的字符串中，最长相等前后缀不包含的子串就是最小重复子串。

即 s[0]s[1] 是最小重复子串

以上推导中，录友可能想，你怎么知道 s[0] 和 s[1] 就不相同呢？ s[0] 为什么就不能是最小重复子串。

如果 s[0] 和 s[1] 也相同，同时 s[0]s[1]与s[2]s[3]相同，s[2]s[3] 与 s[4]s[5]相同，s[4]s[5] 与 s[6]s[7] 相同，那么这个字符串就是有一个字符构成的字符串。

那么它的最长相同前后缀，就不是上图中的前后缀，而是这样的的前后缀：

录友可能再问，由一个字符组成的字符串，最长相等前后缀凭什么就是这样的。

有这种疑惑的录友，就是还不知道 最长相等前后缀 是怎么算的。

可以看这里：KMP讲解 (opens new window)，再去回顾一下。

或者说，自己举个例子，aaaaaa，这个字符串，他的最长相等前后缀是什么？

同上以上推导，最长相等前后缀不包含的子串的长度只要被 字符串s的长度整除，最长相等前后缀不包含的子串一定是最小重复子串。

---

情况三，最长相等前后缀不包含的子串的长度 不被 字符串s的长度整除得情况，如图：

步骤一：因为 这是相等的前缀和后缀，t[0] 与 k[0]相同， t[1] 与 k[1]相同，t[2] 与 k[2]相同。

所以 s[0] 与 s[3]相同，s[1] 与 s[4]相同，s[2] 与s[5]，即：，s[0]s[1]与s[2]s[3]相同 。

步骤二： 因为在同一个字符串位置，所以 t[3] 与 k[0]相同，t[4] 与 k[1]相同。

步骤三： 因为 这是相等的前缀和后缀，t[3] 与 k[3]相同 ，t[4]与k[5] 相同，所以，s[3]一定和s[6]相同，s[4]一定和s[7]相同，即：s[3]s[4] 与 s[6]s[7]相同。

以上推导，可以得出 s[0],s[1],s[2] 与 s[3],s[4],s[5] 相同，s[3]s[4] 与 s[6]s[7]相同。

那么 最长相等前后缀不包含的子串的长度 不被 字符串s的长度整除 ，最长相等前后缀不包含的子串就不是s的重复子串

---

充分条件：如果字符串s是由重复子串组成，那么 最长相等前后缀不包含的子串 一定是 s的最小重复子串。

必要条件：如果字符串s的最长相等前后缀不包含的子串 是 s最小重复子串，那么 s是由重复子串组成。

在必要条件，这个是 显而易见的，都已经假设 最长相等前后缀不包含的子串 是 s的最小重复子串了，那s必然是重复子串。

关键是需要证明， 字符串s的最长相等前后缀不包含的子串 什么时候才是 s最小重复子串。

同上我们证明了，当 最长相等前后缀不包含的子串的长度 可以被 字符串s的长度整除，那么不包含的子串 就是s的最小重复子串。

---

代码分析

next 数组记录的就是最长相同前后缀（ 字符串：KMP算法精讲 (opens new window)）， 如果 next[len - 1] != -1，则说明字符串有最长相同的前后缀（就是字符串里的前缀子串和后缀子串相同的最长长度）。

最长相等前后缀的长度为：next[len - 1] + 1。(这里的next数组是以统一减一的方式计算的，因此需要+1，两种计算next数组的具体区别看这里：字符串：KMP算法精讲 (opens new window))

数组长度为：len。

len - (next[len - 1] + 1) 是最长相等前后缀不包含的子串的长度。

如果len % (len - (next[len - 1] + 1)) == 0 ，则说明数组的长度正好可以被 最长相等前后缀不包含的子串的长度 整除 ，说明该字符串有重复的子字符串。

打印数组

强烈建议大家把next数组打印出来，看看next数组里的规律，有助于理解KMP算法

如图：

next[len - 1] = 7，next[len - 1] + 1 = 8，8就是此时字符串asdfasdfasdf的最长相同前后缀的长度。

(len - (next[len - 1] + 1)) 也就是： 12(字符串的长度) - 8(最长公共前后缀的长度) = 4， 为最长相同前后缀不包含的子串长度

4可以被 12(字符串的长度) 整除，所以说明有重复的子字符串（asdf）。

class Solution {
    /*
    * 充分条件：如果字符串s是由重复子串组成的，那么它的最长相等前后缀不包含的子串一定是s的最小重复子串。
    * 必要条件：如果字符串s的最长相等前后缀不包含的子串是s的最小重复子串，那么s必然是由重复子串组成的。
    * 推得：当字符串s的长度可以被其最长相等前后缀不包含的子串的长度整除时，不包含的子串就是s的最小重复子串。
    *
    * 时间复杂度：O(n)
    * 空间复杂度：O(n)
    */
    fun repeatedSubstringPattern(s: String): Boolean {
        val length = s.length
        // Step 1.构建KMP算法的前缀表
        // 前缀表的值表示 以该位置结尾的字符串的最长相等前后缀的长度
        val next = Array(size = length) { 0 }
        var j = 0
        for (i in 1..<length) {
            // 只要前缀后缀还不一致，就根据前缀表回退j直到起点为止
            while (j > 0 && s[i] != s[j]) {
                j = next[j - 1]
            }
            if (s[i] == s[j]) {
                j++
            }
            next[i] = j
        }
        // Step 2.判断重复子字符串
        // 当字符串s的长度可以被其最长相等前后缀不包含的子串的长度整除时
        // 不包含的子串就是s的最小重复子串
        return next[length - 1] > 0 && length % (length - next[length - 1]) == 0
    }
}