【1803. 统计异或值在范围内的数对有多少】

2023-10-26

来源:力扣(LeetCode)

描述:

给你一个整数数组 nums (下标 从 0 开始 计数)以及两个整数:lowhigh ,请返回 漂亮数对 的数目。

漂亮数对 是一个形如 (i, j) 的数对,其中 0 <= i < j < nums.lengthlow <= (nums[i] XOR nums[j]) <= high

示例 1:

输入:nums = [1,4,2,7], low = 2, high = 6
输出:6
解释:所有漂亮数对 (i, j) 列出如下:
    - (0, 1): nums[0] XOR nums[1] = 5 
    - (0, 2): nums[0] XOR nums[2] = 3
    - (0, 3): nums[0] XOR nums[3] = 6
    - (1, 2): nums[1] XOR nums[2] = 6
    - (1, 3): nums[1] XOR nums[3] = 3
    - (2, 3): nums[2] XOR nums[3] = 5

示例 2:

输入:nums = [9,8,4,2,1], low = 5, high = 14
输出:8
解释:所有漂亮数对 (i, j) 列出如下:
​​​​​    - (0, 2): nums[0] XOR nums[2] = 13
    - (0, 3): nums[0] XOR nums[3] = 11
    - (0, 4): nums[0] XOR nums[4] = 8
    - (1, 2): nums[1] XOR nums[2] = 12
    - (1, 3): nums[1] XOR nums[3] = 10
    - (1, 4): nums[1] XOR nums[4] = 9
    - (2, 3): nums[2] XOR nums[3] = 6
    - (2, 4): nums[2] XOR nums[4] = 5

提示:

  • 1 <= nums.length <= 2 * 104
  • 1 <= nums[i] <= 2 * 104
  • 1 <= low <= high <= 2 * 104

方法:字典树

思路与算法

  题目想要求解有多少对数字的异或运算结果处于 [low, high] 之间,为了方便求解,我们用 f(x) 来表示有多少对数字的异或运算结果小于等于 x,这时问题变为求解 f(high) − f(low − 1)。

  考虑枚举一个元素 ai,求解有多少元素 aj (j < i) 使得 ai ⊕ aj ≤ x,其中 ⊕ 表示按位异或运算。由于求解问题时,x 是已知的,我们可以设计一种「从高位到低位依次计算数字个数」的方法,来得到问题的解。该方法的关键点在于:

  • 由于数组中的元素都在 [1, 2 × 104 ] 的范围内,那么我们可以将每一个数字表示为一个长度为 15 位的二进制数字(如果不满 15 位,在最高位之前补上若干个前导 0 即可);
  • 这 15 个二进制位从低位到高位依次编号为 0, 1, ⋯, 14。我们从最高位第 14 个二进制位开始,依次计算有多少元素与 ai 的异或运算结果小于 x;
  • 对于任意一个使得 ai ⊕ aj < x 条件成立的 aj ,都存在一个 k,使得 ai ⊕ aj 的二进制表示中的第 14 位到第 k + 1 位与 x 相同,而第 k 位却小于。

  为了更好的计算答案,我们将数组中的元素看做是长度为 15 的字符串,字符串中只包含 0 和 1。如果将字符串放入字典树中,那么在字典树中查询一个字符串的过程,恰好就是从高位开始确定一个二进制的过程。

  我们枚举 ai,并将 a0, a1, ⋯, ai-1 作为 aj 放入字典树中,希望找出有多少个 aj 使得 ai ⊕ aj ≤ x。字典树的每个节点记录一个数字,表示有多少个数字以根结点到该节点路径为前缀。为了计算它,我们需要在添加一个数字时,将路径上的所有节点的数字都加 1。

  我们可以从字典树的根结点开始遍历,遍历的参照对象是 ai 和 x。假设我们当前遍历到了第 k 个二进制位:

  • 如果 x 的第 k 个二进制位为 0,那么此时不存在使得 ai ⊕ aj < x 条件成立的 aj,设 r 是 ai 的第 k 个二进制位,我们需要往表示 r 的子节点走,这保证了路径上的数值与 ai 做异或后前缀与 x 相同。
  • 如果 x 的第 k 个二进制位为 1,设 r 是 ai 的第 k 个二进制位,那么此时表示 r 的子节点中记录的数字,就是使得 ai ⊕ aj < x 条件成立的 aj 的个数,将它累加到答案中。然后我们需要往表示 r ⊕ 1 的子节点走,这保证了路径上的数值与 ai 做异或后前缀与 x 相同。

  如果在过程中,出现某个子节点不存在使得过程无法继续,我们需要立刻返回答案。否则在最后,我们遍历完所有的 15 个二进制位后,到达的最后一个节点中记录的数字是使得 ai ⊕ aj = x 条件成立的 aj 的个数,也将其累加到答案中。至此,我们求出来所有使得 ai ⊕ aj ≤ x 条件成立的 aj 的个数。

代码:

struct Trie {
    // son[0] 表示左子树,son[1] 表示右子树
    array<Trie*, 2> son{nullptr, nullptr};
    int sum;
    Trie():sum(0) {}
};

class Solution {
private:
    // 字典树的根节点
    Trie* root = nullptr;
    // 最高位的二进制位编号为 14
    static constexpr int HIGH_BIT = 14;

public:
    void add(int num) {
        Trie* cur = root;
        for (int k = HIGH_BIT; k >= 0; k--) {
            int bit = (num >> k) & 1;
            if (cur->son[bit] == nullptr) {
                cur->son[bit] = new Trie();
            }
            cur = cur->son[bit];
            cur->sum++;
        }
    }

    int get(int num, int x) {
        Trie* cur = root;
        int sum = 0;
        for (int k = HIGH_BIT; k >= 0; k--) {
            int r = (num >> k) & 1;
            if ((x >> k) & 1) {
                if (cur->son[r] != nullptr) {
                    sum += cur->son[r]->sum;
                }
                if (cur->son[r ^ 1] == nullptr) {
                    return sum;
                }
                cur = cur->son[r ^ 1];
            } else {
                if (cur->son[r] == nullptr) {
                    return sum;
                }
                cur = cur->son[r];
            }
        }
        sum += cur->sum;
        return sum;
    }

    int f(vector<int>& nums, int x) {
        root = new Trie();
        int res = 0;
        for (int i = 1; i < nums.size(); i++) {
            add(nums[i - 1]);
            res += get(nums[i], x);
        }
        return res;
    }

    int countPairs(vector<int>& nums, int low, int high) {
        return f(nums, high) - f(nums, low - 1);
    }
};

执行用时:248 ms, 在所有 C++ 提交中击败了22.22%的用户
内存消耗:100.7 MB, 在所有 C++ 提交中击败了14.29%的用户
复杂度分析
时间复杂度:O(nlogC)。其中 n 是 nums 的长度,C 是数组中的元素范围。
空间复杂度:O(nlogC)。每一个元素在字典树中需要使用 O(logC) 的空间,因此总空间复杂度为 O(nlogC)。
author:LeetCode-Solution

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