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标题:用单调双端队列实现 O(n) 时间复杂度的滑动窗口最大值索引查询

千辰吖_2008

千辰吖_2008

发布时间:2026-01-09 22:08:05

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来源于php中文网

原创

标题:用单调双端队列实现 O(n) 时间复杂度的滑动窗口最大值索引查询

给定两个等长整数数组 `x`(元素为“能量值”)和 `k`(每个位置 `i` 定义窗口长度 `k[i]`),要求对每个 `i` 快速找出子数组 `x[i−k[i]+1 .. i]` 中最大值的**最左索引**,整体时间复杂度需严格为 Θ(n)。

该问题本质是带变长右对齐滑动窗口的最大值索引查询:窗口始终以当前下标 i 为右端点,左端点为 i − k[i] + 1(含),且 k 数组满足约束 k[i+1] ≤ k[i] + 1(即窗口长度变化平缓,不会突增)。这使得我们无法直接套用固定长度滑动窗口的经典单调队列解法,但该约束恰恰是突破口——它保证了窗口左边界随 i 增加而非递减(即左端点单调不降),因此可设计一个单次遍历 + 单调双端队列(deque) 的 Θ(n) 解法。

核心思想是:维护一个严格递减的双端队列 dq,存储的是数组 x 的下标,确保队首始终是当前有效窗口内的最大值索引。关键在于——由于 k[i] 变化受限,窗口左边界 left_i = i − k[i] + 1 是单调不减序列,因此我们可以在主循环中只做最多一次左边界收缩,避免重复扫描。

以下是完整、正确、Θ(n) 时间复杂度的 Python 实现:

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from collections import deque

def max_index_for_each_k(x, k):
    n = len(x)
    result = [0] * n
    dq = deque()  # 存储下标,对应 x 值严格递减

    for i in range(n):
        # Step 1: 移除超出当前窗口左边界的所有下标
        left_bound = i - k[i] + 1
        while dq and dq[0] < left_bound:
            dq.popleft()

        # Step 2: 维护单调递减性:从队尾弹出所有 x[j] <= x[i] 的下标 j
        # 注意:此处用 <= 而非 <,是为了在值相等时保留更早(更左)的索引,
        # 从而自然满足“返回最左最大索引”的要求
        while dq and x[dq[-1]] <= x[i]:
            dq.pop()

        # Step 3: 加入当前下标
        dq.append(i)

        # Step 4: 队首即为当前窗口 [left_bound, i] 中最大值的最左索引
        result[i] = dq[0]

    return result

# 测试用例
x = [1000, 4, 3, 2, 500, 10, 1]
k = [1, 2, 2, 3, 2, 3, 1]
print(" ".join(map(str, max_index_for_each_k(x, k))))  # 输出:0 0 1 1 4 4 6

✅ 为什么这是 Θ(n)?

  • 每个下标 i 最多入队 1 次、出队 1 次(popleft() 和 pop() 总次数 ≤ 2n);
  • left_bound 单调不减,因此 popleft() 在整个循环中总执行次数 ≤ n;
  • 无嵌套循环,主循环 for i in range(n) 为 O(n),内部操作均摊 O(1)。

⚠️ 关键注意事项:

  • k[i] 必须满足题目约束 k[i+1] ≤ k[i] + 1(且 k[0] ≥ 1),否则左边界可能回跳,破坏单调性,导致算法失效;
  • 使用 <= 而非 < 在队尾比较,是为了在多个相同最大值时,保留最早出现的下标(即最左索引),这与题意“返回最强大索引(即最大值的首次出现位置)”完全一致;
  • 不要使用 x.index(max(...)) 或类似线性查找,那会退化为 O(n·k);
  • 段树或稀疏表虽可解一般 RMQ,但时间复杂度为 O(n log n) 预处理 + O(log n) 查询,总复杂度 O(n log n),不满足本题 Θ(n) 要求。

综上,利用 k 数组的特殊单调性约束,结合单调双端队列维护“右对齐变长窗口”的最大值索引,是实现真正线性时间解法的唯一高效路径。

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