算法练习题14——leetcode84柱形图中最大的矩形(单调栈)

题目描述: 

解题思路:

要解决这个问题,我们需要找到每个柱子可以扩展的最大左右边界,然后计算以每个柱子为高度的最大矩形面积。

具体步骤如下:

  1. 计算每个柱子左侧最近的比当前柱子矮的位置

    • 使用一个单调栈(栈中保存元素索引)从左到右遍历柱子,确保栈中元素始终保持递增(从栈底到栈顶)。
    • 如果当前柱子的高度小于栈顶柱子的高度,则不断弹出栈顶元素,直到找到一个高度小于当前柱子的元素为止。
    • 这样可以确定每个柱子左边第一个比它矮的位置。
  2. 计算每个柱子右侧最近的比当前柱子矮的位置

    • 使用类似的单调栈方法,从右到左遍历柱子,确保栈中元素始终保持递增。
    • 同样地,可以确定每个柱子右边第一个比它矮的位置。
  3. 计算最大矩形面积

    • 计算每个柱子可以扩展的宽度,使用公式 (right[i] - left[i] - 1) * heights[i] 来计算以该柱子为高度的矩形面积。
    • 遍历所有柱子,找到最大面积。

代码示例: 

class Solution {public int largestRectangleArea(int[] heights) {int n = heights.length;int[] left = new int[n]; // 用于存储每个柱子的左边界int[] right = new int[n]; // 用于存储每个柱子的右边界Stack<Integer> stack = new Stack<>(); // 用于计算左右边界的单调栈// 从左到右遍历柱子,计算每个柱子左边第一个比它矮的位置for (int i = 0; i < n; i++) {// 如果栈不为空且栈顶柱子的高度大于等于当前柱子的高度,弹出栈顶元素while (!stack.isEmpty() && heights[stack.peek()] >= heights[i]) {stack.pop();}// 如果栈为空,说明当前柱子左侧没有比它矮的柱子if (stack.isEmpty()) {left[i] = -1; // 左边界为-1} else {left[i] = stack.peek(); // 栈顶元素即为左边第一个比当前柱子矮的位置}// 将当前柱子的索引压入栈中stack.push(i);}stack.clear(); // 清空栈,用于计算右边界// 从右到左遍历柱子,计算每个柱子右边第一个比它矮的位置for (int i = n - 1; i >= 0; --i) {// 如果栈不为空且栈顶柱子的高度大于等于当前柱子的高度,弹出栈顶元素while (!stack.isEmpty() && heights[stack.peek()] >= heights[i]) {stack.pop();}// 如果栈为空,说明当前柱子右侧没有比它矮的柱子if (stack.isEmpty()) {right[i] = n; // 右边界为n} else {right[i] = stack.peek(); // 栈顶元素即为右边第一个比当前柱子矮的位置}// 将当前柱子的索引压入栈中stack.push(i);}int ans = 0; // 用于存储最大矩形面积// 遍历每个柱子,计算以该柱子为高度的最大矩形面积for (int i = 0; i < n; i++) {// 以heights[i]为高度的矩形面积计算公式为:(right[i] - left[i] - 1) * heights[i]ans = Math.max(ans, (right[i] - left[i] - 1) * heights[i]);}return ans; // 返回最大矩形面积}
}

详细解题步骤:

  1. 初始化数组和栈

    • left[i] 存储柱子 i 左侧第一个比其矮的柱子的索引,如果不存在,设置为 -1
    • right[i] 存储柱子 i 右侧第一个比其矮的柱子的索引,如果不存在,设置为 n
    • 使用 Stack 存储柱子的索引,用于计算左右边界。
  2. 计算左边界

    • 遍历所有柱子:
      • 如果当前柱子的高度小于栈顶柱子的高度,弹出栈顶元素,直到找到一个高度小于当前柱子的元素。
      • 如果栈为空,说明当前柱子左侧没有比它矮的柱子,设置 left[i] = -1
      • 否则,设置 left[i] = stack.peek(),即栈顶元素是左边第一个比当前柱子矮的位置。
    • 将当前柱子的索引压入栈中。
  3. 计算右边界

    • 从右到左遍历所有柱子:
      • 使用类似的方法计算每个柱子右边第一个比它矮的位置。
  4. 计算最大矩形面积

    • 遍历所有柱子,以每个柱子作为最矮柱子,计算矩形的最大面积。
    • 使用公式 (right[i] - left[i] - 1) * heights[i] 来计算每个柱子的最大矩形面积。

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