Monotonic Stack
1. Introduction
单调栈是一种特殊的stack(栈), 在栈的LIFO(Last in, first out, 后进先出)规则下, 栈内元素保持单调性: 从栈顶到栈底的元素始终保持单调递增或递减. 若从栈顶到栈底的元素单调递增, 则称为mono-increasing stack(单调递增栈), 例如: [5,4,3,2,1]
, 元素从右侧(栈顶)进入或弹出; 若从栈顶到栈底的元素单调递减, 则称为mono-decreasing stack(单调递减栈).
使用时, 通常会在栈内保存元素的坐标, 而不是元素本身, 这样既可找到对应元素, 也可保留元素的坐标信息.
2. Monotonicity
描述单调栈的单调性时, 若栈顶元素大于栈底元素, 则称为单调递增; 反之, 则称为单调递减. 为维护单调栈的单调性, 插入元素时需比较插入元素与栈顶元素:
- 对于单调递增栈:
- 若当前元素大于或等于栈顶元素, 则弹出栈顶元素
- 若栈为空, 或当前元素小于栈顶元素, 则进栈
- 对于单调递减栈:
- 若当前元素小于或等于栈顶元素, 则弹出栈顶元素
- 若栈为空, 或当前元素大于栈顶元素, 则进栈
假设存在一个单调栈, 其栈内自顶向下的元素为[0, 11, 45, 81]
, 若插入元素为14, 为保证该栈单调递减, 需依次弹出栈顶元素0, 11
, 该栈最终变为[14, 45, 81]
.
3. Usage
单调栈可在时间复杂度为$O(n)$的情况下, 在数组中找到第一个比目标元素大(或小)的元素. 假设数组长度为n
, 目标元素为x
, 其坐标为i
.
3.1 The first element on the left that is greater than target element
从左向右遍历元素($[0, i-1]$), 构建一个单调递增栈, 并执行以下步骤直到找到答案或栈为空:
- 若栈为空, 则
x
左侧不存在比x
大的元素 - 若栈顶元素小于或等于
x
, 则弹出栈顶元素 - 若栈顶元素大于
x
, 则栈顶元素为答案
3.2 The first element on the right that is greater than target element
从右向左遍历元素($[n-1, i+1]$), 构建一个单调递增栈, 并执行以下步骤直到找到答案或栈为空:
- 若栈为空, 则
x
右侧不存在比x
大的元素 - 若栈顶元素小于或等于
x
, 则弹出栈顶元素 - 若栈顶元素大于
x
, 则栈顶元素为答案
3.3 The first element on the left that is less than target element
从左向右遍历元素($[0, i-1]$), 构建一个单调递减栈, 并执行以下步骤直到找到答案或栈为空:
- 若栈为空, 说明
x
左侧不存在比x
小的元素 - 若栈顶元素小于或等于
x
, 则弹出栈顶元素 - 若栈顶元素大于
x
, 则栈顶元素为答案
3.4 The first element on the right that is less than target element
从右向左遍历元素($[n-1, i+1]$), 构建一个单调递增栈, 并执行以下步骤直到找到答案或栈为空:
- 若栈为空, 说明
x
右侧不存在比x
小的元素 - 若栈顶元素大于或等于
x
, 则弹出栈顶元素 - 若栈顶元素小于
x
, 则栈顶元素为答案
3.5 Conclusion
单调栈的原理在于弹出不可能符合条件的元素. 以寻找比目标元素大的左侧第一个元素为例, 当从左向右遍历数组时, 存在以下可能性:
- 若栈为空, 则当前元素可能为答案, 因此入栈
- 若当前元素大于或等于栈顶元素, 则直接弹出栈顶元素, 因为当前元素更靠近目标元素且比目标元素大, 因此可直接排除栈顶元素
- 若当前元素比栈顶元素小, 则可能成为答案, 也可能不会成为答案, 因此入栈
4. Leetcode
42. Trapping Rain Water
Problem Description
Given n
non-negative integers representing an elevation map where the width of each bar is 1
, compute how much water it can trap after raining.
Example 1:
Input: height = [0,1,0,2,1,0,1,3,2,1,2,1] |
Montonic Stack
题目要求返回雨水的总量, 通过观察可以发现, 若存在雨水, 则一定存在高低高
的结构, 例如{1,0,1}
. 因此可维护一个单调栈: 遍历数组时, 栈的性质保证栈底元素的坐标一定比栈顶元素更小; 且该栈保持单调递减, 从而保证之前的bar高于之后的bar, 形成一个高低
的结构. 当某个bar大于栈顶元素时, 可能存在两种情况:
- 栈内只有一个元素, 不足以形成
高低高
- 栈内存在两个或以上元素, 可以形成
高低高
需要注意的是, 水坑的高度不一定由当前元素决定, 也取决于左侧单调栈中的元素, 例如{1,0,2}
, 遍历到height[2]
时, 水坑的高度应为min(1,2) = 1
; 水坑的宽度也不一定为1, 例如{2,1,0,2}
, 遍历到height[3]
时, 先计算height[1:3]
的雨水量, 再计算height[0,3]
的雨水量, 为防止重复计算, 需记录上一个水坑的高度. 该方法的时间复杂度为$O(n)$
.
class Solution { |
84. Largest Rectangle in Histogram
Problem Description
Given an array of integers heights
representing the histogram's bar height where the width of each bar is 1
, return the area of the largest rectangle in the histogram.
Example 1:
Input: heights = [2,1,5,6,2,3] |
Example 2:
Input: heights = [2,4] |
Montonic Stack
题目要求返回bar组成的最大矩形面积, 可以发现一个规律: 最大矩形面积的高度一定是某一个bar的高度, 最大矩形的宽度为该bar向左右延伸的最大宽度, 因此矩形的面积为heights[i] * (r - l + 1)
. 若我们对每个bar向左右延伸, 即可得到最终答案, 该方法的时间复杂度为$O(n^2)$
. 当对一个bar向左(或右)延伸时, 存在三种可能:
- 当前bar的高度大于或等于目标bar, 可继续向外延伸
- 抵达数组边界, 无法继续向外延伸
- 当前bar的高度小于目标bar, 无法继续向外延伸
因此, 以一个bar的高度作为矩形高度时, 其延伸的bar的高度一定大于或等于该bar. 若维护一个单调栈, 其单调性为递增, 若当前元素(bar的高度)大于栈顶元素, 则说明当前元素为栈顶元素的右边界, 而左边界分为两种情况:
若单调栈只存在一个栈顶元素, 存在两种情况:
- 栈顶元素之前的bar都高于栈顶元素
- 栈顶元素为数组的第一个元素
无论以上哪种情况, 左边界都可以为
-1
若单调栈存在多个元素, 则栈内其他元素一定小于栈顶元素, 可作为左边界
需要注意的是, 由于只有当前元素小于栈顶元素时才会弹出栈顶元素, 因此需在数组最后添加一个高度为0
的bar, 保证所有bar构成的矩形都被会计算. 该算法的时间复杂度为$O(n)$
.
class Solution { |
85. Maximal Rectangle
Problem Description
Given a rows x cols
binary matrix
filled with 0
's and 1
's, find the largest rectangle containing only 1
's and return its area.
Example 1:
Input: matrix = [ |
Montonic Stack
题目要求返回由1
组成的最大矩形面积. 若使用上一题的思路, 可轻松求得matrix
第一行中的最大矩形面积; 将第二行的数值添加第一行, 即可得到matrix
前两行中的最大矩形面积, 以此类推, 可获得matrix
中的最大矩形面积. 该算法的时间复杂度为$O(mn)$
(m
和n
为matrix
的行数和列数).
class Solution { |
2030. Smallest K-Length Subsequence With Occurrences of a Letter
Problem Description
You are given a string s
, an integer k
, a letter letter
, and an integer repetition
.
Return the lexicographically smallest subsequence of s
of length k
that has the letter letter
appear at least repetition
times. The test cases are generated so that the letter
appears in s
at least repetition
times.
A subsequence is a string that can be derived from another string by deleting some or no characters without changing the order of the remaining characters.
A string a
is lexicographically smaller than a string b
if in the first position where a
and b
differ, string a
has a letter that appears earlier in the alphabet than the corresponding letter in b
.
Example 1:
Input: s = "leet", k = 3, letter = "e", repetition = 1 |
Montonic Stack
题目要求返回最小字典序的字符串, 而一个单调递增的单调栈会不断尝试将位置靠前且字典序更大的字符替换为位置靠后且字典序更小的字符, 因此可使用单调栈, 但该题存在两条附件条件:
- 返回的字符串长度为
k
- 返回的字符串中包含至少
reptition
个字符letter
维护一个单调递增的单调栈的过程可分为两个步骤:
- 出栈: 查看当前字符是否小于栈顶字符, 若小于, 则弹出栈顶字符
- 入栈: 将当前字符放入栈中
为满足题目的额外要求, 需在出栈和入栈时附加额外判断. 假设当前字符为c
, 栈顶元素为t
- 出栈:
- 若栈为空或
c >= t
, 无需任何操作 - 若栈不为空, 且
c < t
, 则需考虑题目的附加条件:- 若弹出
t
导致后续字符无法满足长度k
, 则不弹出t
- 若
t
为letter
, 且弹出t
导致后续字符无法满足至少repetition
个letter
, 则不弹出t
- 若弹出
- 若上述条件均满足, 弹出
t
才能保证最小字典序
- 若栈为空或
- 入栈:
- 若
c == letter
: 直接放入栈中 - 若
c != letter
: 若添加该字符后, 剩余空间无法满足reptition
个letter
, 则不添加该字符
- 若
class Solution { |
321. Create Maximum Number
Problem Description
You are given two integer arrays nums1
and nums2
of lengths m
and n
respectively. nums1
and nums2
represent the digits of two numbers. You are also given an integer k
.
Create the maximum number of length k <= m + n
from digits of the two numbers. The relative order of the digits from the same array must be preserved.
Return an array of the k
digits representing the answer.
Example 1:
Input: nums1 = [3,4,6,5], nums2 = [9,1,2,5,8,3], k = 5 |
Montonic Stack
对于一个字符串长度为m
的字符串, 若需找出长度为k
($k \le m$)的最大数, 可用单调栈将较小的元素弹出, 并保持单调栈内的元素单调递减; 本题要求返回两个数组的最大组合数, 因此可按以下步骤:
- 使用单调栈, 保证两个数组分别保持有序的前提下, 找出每个数组的最大数
- 将上一步获得的两个最大数组合为一个最大数
假设$|\text{nums1}|$
为m
, $|\text{nums2}|$
为n
, 且$k \le m + n$
, 则nums1
的可选长度为$[max(k-n, 0), min(k, m)$]
. 单调栈和合并数字都可保证顺序, 因此返回的数字一定保持正序.
class Solution { |