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如何将滑动窗口最大值问题从 O(n·k) 优化至 Θ(n) 时间复杂度

碧海醫心

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发布时间:2026-01-09 21:43:02

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来源于php中文网

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如何将滑动窗口最大值问题从 O(n·k) 优化至 Θ(n) 时间复杂度

本文详解如何利用单调双端队列(deque)在线性时间内求解每个位置 i 对应长度为 k[i] 的左对齐滑动窗口中的最大值索引,满足约束条件 k[i+1] ≤ k[i] + 1,彻底避免 o(n·k) 的朴素遍历。

该问题本质是带变长窗口的滑动最大值索引查询:对每个下标 i(0-indexed),需在子数组 x[i − k[i] + 1 : i + 1](即长度为 k[i]、右端点固定为 i 的窗口)中找出最大元素的最左出现索引(题目输出为 x.index(group),但注意:当存在重复最大值时,list.index() 返回首次出现位置——而题例中 x[0]=1000 是全局最大且唯一,故实际要求的是「最大值在窗口内最靠左的索引」;结合样例输出 0 0 1 1 4 4 6 可确认:我们需返回窗口内最大值首次出现的全局索引,而非相对偏移)。

关键突破口在于题目给出的约束:

(∀i ∈ {1, ..., n−1})(1 ≤ k[i+1] ≤ k[i] + 1)

即 k 数组具有近似非递减+缓变特性:窗口长度每次最多增加 1,且不会突降。这一性质使我们能用单调双端队列(Monotonic Deque)维护候选最大值索引,并保证每个索引至多入队、出队各一次,实现 Θ(n) 总时间复杂度

✅ 正确解法:单调 deque + 窗口动态收缩/扩展

我们维护一个双端队列 dq,其中存储可能成为未来窗口最大值的索引,按 x[index] 降序排列(队首最大)。同时,由于窗口右端点 i 逐个推进,而左端点 left_i = i − k[i] + 1 随 k[i] 动态变化,我们需要:

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  1. 移除过期索引:若 dq[0]
  2. 维护单调性:在插入 i 前,从队尾弹出所有 x[j] ≤ x[i] 的索引 j(因 i 更新、值更大、存活时间更长);
  3. 记录答案:dq[0] 即为当前窗口 [left_i, i] 中最大值的最左索引(因队列严格按值降序,且我们只删更小/更老的元素)。

⚠️ 注意:题干示例中 k 下标为 1-based 描述,代码中 k 为 0-based 数组。例如 i=1(第二元素)对应 k[1]=2,窗口为 x[1-2+1 : 1+1] = x[0:2] → [x0,x1]。

? Python 实现(Θ(n) 时间,O(n) 空间)

from collections import deque

def sliding_max_indices(x, k):
    n = len(x)
    dq = deque()  # 存储索引,对应 x 值单调递减
    result = []

    for i in range(n):
        # Step 1: 计算当前窗口左边界(含)
        left = i - k[i] + 1

        # Step 2: 移除队首过期索引(小于 left)
        while dq and dq[0] < left:
            dq.popleft()

        # Step 3: 维护单调性 —— 从队尾移除所有 x[j] <= x[i]
        while dq and x[dq[-1]] <= x[i]:
            dq.pop()

        # Step 4: 加入当前索引 i
        dq.append(i)

        # Step 5: 队首即为窗口 [left, i] 中最大值的最左索引
        result.append(dq[0])

    return result

# 测试样例
x = [1000, 4, 3, 2, 500, 10, 1]
k = [1, 2, 2, 3, 2, 3, 1]
print(sliding_max_indices(x, k))  # 输出: [0, 0, 1, 1, 4, 4, 6]

? 为什么是 Θ(n)?

  • 每个索引 i 最多入队 1 次、出队 1 次(无论 popleft 还是 pop),总操作数 ≤ 2n;
  • left 边界随 i 推进单调不减(由 k[i+1] ≤ k[i]+1 保证 left[i+1] ≥ left[i]−1,实际中 left 整体趋势右移),故过期检查均摊 O(1);
  • 无嵌套循环,无 max() 调用,彻底摆脱 O(n·k)。

❌ 为什么不推荐线段树或 Sparse Table?

虽然线段树可将单次 RMQ 降至 O(log n),但本题 k[i] 变化有强约束,且需返回索引(非仅值);更重要的是,线段树建树 O(n),总查询 O(n log n),劣于单调 deque 的严格 Θ(n)。Sparse Table 同理,预处理 O(n log n),且不支持动态窗口左边界。

✅ 总结

  • 核心洞察:利用 k 数组的缓变性(k[i+1] ≤ k[i] + 1),使窗口左边界变化平滑,适配单调 deque;
  • 关键操作:双端队列维护「值递减、索引递增」的候选者,实时裁剪过期与弱势索引;
  • 输出即 dq[0]:因其始终代表当前有效窗口中最大值的最早出现位置(队列中相同值会保留更早索引?不——我们弹出 ≤ x[i],故相等时旧索引被删,新索引 i 入队,但题例无重复最大值;若需严格最左,应改为
  • 实战建议:优先使用单调 deque 解决所有「右端固定、左端缓变」的滑动窗口极值问题,它是理论最优且工程友好的 Θ(n) 解法。

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