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560. 和为K的子数组#

生活中的算法#

你有没有这样的经历:每天往存钱罐里存一些零钱,某一天突然想知道,从哪天开始存到哪天结束,刚好能凑够买一件心仪物品的钱?这其实就是在寻找”和为特定值的连续数字序列”。

这个问题在金融分析、数据处理等领域都有着广泛的应用。比如分析股票的累计收益,寻找特定增长区间;或是在气象数据中寻找累计降雨量达到特定值的时间段。

问题描述#

题目目标#

给你一个整数数组 nums 和一个整数 k,请统计并返回数组中和为 k 的连续子数组个数。

示例 1#

输入: nums = [1,1,1], k = 2 输出: 2 子数组示意:

满足条件的连续子数组:
- nums[0..1] = [1,1]
- nums[1..2] = [1,1]
text

说明: 一共有两个连续子数组的元素和等于 2,因此答案是 2。

补充说明#

  • 这里统计的是“连续子数组”,不能打乱顺序或跳过元素。
  • 数组中可能出现负数,因此不能直接用普通双指针替代前缀和思路。

最直观的解法:暴力枚举法#

最容易想到的方法是:枚举所有可能的子数组,计算它们的和,统计等于k的个数。

让我们用一个例子来模拟这个过程:

nums = [1,2,3], k = 3

检查所有子数组:
[1] -> sum = 1 ≠ 3
[1,2] -> sum = 3 = 3 ✓
[1,2,3] -> sum = 6 ≠ 3
[2] -> sum = 2 ≠ 3
[2,3] -> sum = 5 ≠ 3
[3] -> sum = 3 = 3 ✓

找到两个和为3的子数组
plaintext

这种思路可以用Java代码这样实现:

优化解法:前缀和 + 哈希表#

仔细观察会发现,我们在计算子数组之和时做了很多重复计算。实际上,我们可以使用前缀和的概念来优化。更妙的是,我们可以结合哈希表来快速找到符合条件的子数组。

前缀和的原理#

前缀和是到当前位置为止所有数的和。如果两个前缀和之差为k,那么这两个位置之间的子数组和就是k。

算法步骤(伪代码)#

  1. 初始化哈希表,记录前缀和出现的次数
  2. 初始化前缀和为0,计数为1(空数组的前缀和)
  3. 遍历数组,对于每个位置:
    • 更新前缀和
    • 查找是否存在前缀和等于(当前前缀和-k)的记录
    • 更新哈希表中前缀和的出现次数

示例运行#

让我们用nums = [1,2,1,2], k = 3模拟这个过程:

Java代码实现#

解法比较#

让我们比较这两种解法:

暴力枚举法:

  • 时间复杂度:O(n²)
  • 空间复杂度:O(1)
  • 优点:直观易懂
  • 缺点:效率低,有大量重复计算

前缀和 + 哈希表法:

  • 时间复杂度:O(n)
  • 空间复杂度:O(n)
  • 优点:一次遍历就能得到结果
  • 缺点:需要额外空间存储前缀和信息

题目模式总结#

这道题体现了几个重要的算法思想:

  1. 前缀和技巧:通过预处理简化区间和的计算
  2. 哈希表应用:用于快速查找满足条件的值
  3. 空间换时间:通过存储中间结果来提高效率

这种解题模式在很多问题中都有应用,比如:

  • 和为k的最长子数组
  • 连续数组(0和1数量相等)
  • 矩阵区域和检索

解决此类问题的通用思路是:

  1. 考虑是否可以通过预处理简化重复计算
  2. 思考如何利用已计算的结果
  3. 关注数值之间的关系转换
  4. 考虑边界情况的处理

小结#

通过这道题,我们不仅学会了如何找到和为k的子数组,更重要的是掌握了前缀和这个强大的预处理技巧,以及如何巧妙地结合哈希表来优化查找过程。

记住,当遇到需要频繁计算区间和的问题时,前缀和往往是一个很好的切入点。而当我们需要快速判断某个值是否存在时,哈希表常常能带来惊喜!