[LeetCode] 456. 132 Pattern

Given a sequence of n integers a1, a2, …, an, a 132 pattern is a subsequence ai,
aj, ak such that i < j < k and ai < ak < aj. Design an algorithm that takes a list
of n numbers as input and checks whether there is a 132 pattern in the list.

Note: n will be less than 15,000.

Example 1:
Input: [1, 2, 3, 4]
Output: False
Explanation: There is no 132 pattern in the sequence.

Example 2:
Input: [3, 1, 4, 2]
Output: True
Explanation: There is a 132 pattern in the sequence: [1, 4, 2].

Example 3:
Input: [-1, 3, 2, 0]
Output: True
Explanation: There are three 132 patterns in the sequence: [-1, 3, 2], [-1, 3, 0]
and [-1, 2, 0].

132 模式。

给你一个整数数组 nums ，数组中共有 n 个整数。132 模式的子序列 由三个整数 nums[i]、nums[j] 和 nums[k] 组成，并同时满足：i < j < k 和 nums[i] < nums[k] < nums[j] 。

如果 nums 中存在 132 模式的子序列 ，返回 true ；否则，返回 false 。

进阶：很容易想到时间复杂度为 O(n^2) 的解决方案，你可以设计一个时间复杂度为 O(n logn) 或 O(n) 的解决方案吗？

来源：力扣（LeetCode）
链接：https://leetcode-cn.com/problems/132-pattern
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思路一 - treemap

我这里提供两种思路，一种是 treemap，一种是单调栈。这题如果没练过，面试当下大概率是想不出来的。

treemap 的做法，需要遍历两遍数组。第一次遍历 input 数组，统计每个数字出现了几次，用 treemap<key, count> 记录好。再一次遍历 input 数组，此时遇到一个数字，就从 treemap 中减去这个数字的 count，直到把这个数字在 treemap 中的 key 移除为止。在第二次遍历的过程中，记录一个最小值 min。如果在过程中发现有一个数字 num 比 min 大，同时在 treemap 中可以找到另一个数字既严格大于 min（treemap.higherKey(min)），又小于当前的 num，则说明找到了这个 132 模式。其中 treemap 的 higherKey() 函数是表示找一个严格大于当前数字的 key，注意它和 ceilingKey() 的区别。

复杂度

时间O(nlogn) - treemap 找 higherKey 的时间复杂度
空间O(n)

代码

Java实现

class Solution {
    public boolean find132pattern(int[] nums) {
        TreeMap<Integer, Integer> treemap = new TreeMap<>();
        for (int num : nums) {
            treemap.put(num, treemap.getOrDefault(num, 0) + 1);
        }

        int min = Integer.MAX_VALUE;
        for (int num : nums) {
            int count = treemap.get(num);
            if (count > 1) {
                treemap.put(num, count - 1);
            } else {
                treemap.remove(num);
            }
            if (num <= min) {
                min = num;
            } else {
                // min is 1
                // num is 3
                // target is 2
                Integer target = treemap.higherKey(min);
                if (target != null && target < num) {
                    return true;
                }
            }
        }
        return false;
    }
}

思路二 - 单调栈

第二种方法是单调栈，而且是从后往前遍历数组。遍历过程中，记录一个变量 second 表示中间那个数字。因为这个数字需要出现在 1 和 3 之后，所以从后往前遍历是说得通的。对于任何一个数字nums[i]，都无条件把他放入 stack 中。当 stack 不为空的时候，判断当前数字 nums[i] 是否大于 stack.peek()，若大于则 stack.pop() 并且把 pop 出来的元素赋给 second。此时 pop 出来的元素因为是比较靠后的，所以其实 second 记录的是 132 模式里的那个 2。我们试图找一个 3 之后最大的 2，这样会留更多余地给 1。所以再往前扫描的时候，一旦发现有 nums[i] < mid 则 return true。

复杂度

时间O(n)
空间O(n)

代码

Java实现

class Solution {
    public boolean find132pattern(int[] nums) {
        Deque<Integer> stack = new ArrayDeque<>();
        int n = nums.length;
        int second = Integer.MIN_VALUE;
        for (int i = n - 1; i >= 0; i--) {
            int num = nums[i];
            while (!stack.isEmpty() && stack.peekLast() < num) {
                second = Math.max(second, stack.pollLast());
            }
            stack.offerLast(num);
            if (num < second) {
                return true;
            }
        }
        return false;
    }
}