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一样的道理,能解决四数之和 那么五数之和、六数之和、N数之和呢?

# 第18题. 四数之和

力扣题目链接 (opens new window)

题意:给定一个包含 n 个整数的数组 nums 和一个目标值 target,判断 nums 中是否存在四个元素 a,b,c 和 d ,使得 a + b + c + d 的值与 target 相等?找出所有满足条件且不重复的四元组。

注意:

答案中不可以包含重复的四元组。

示例: 给定数组 nums = [1, 0, -1, 0, -2, 2],和 target = 0。 满足要求的四元组集合为: [ [-1, 0, 0, 1], [-2, -1, 1, 2], [-2, 0, 0, 2] ]

# 思路

四数之和,和15.三数之和 (opens new window)是一个思路,都是使用双指针法, 基本解法就是在15.三数之和 (opens new window) 的基础上再套一层for循环。

但是有一些细节需要注意,例如: 不要判断nums[k] > target 就返回了,三数之和 可以通过 nums[i] > 0 就返回了,因为 0 已经是确定的数了,四数之和这道题目 target是任意值。(大家亲自写代码就能感受出来)

15.三数之和 (opens new window)的双指针解法是一层for循环num[i]为确定值,然后循环内有left和right下表作为双指针,找到nums[i] + nums[left] + nums[right] == 0。

四数之和的双指针解法是两层for循环nums[k] + nums[i]为确定值,依然是循环内有left和right下表作为双指针,找出nums[k] + nums[i] + nums[left] + nums[right] == target的情况,三数之和的时间复杂度是O(n^2),四数之和的时间复杂度是O(n^3) 。

那么一样的道理,五数之和、六数之和等等都采用这种解法。

对于15.三数之和 (opens new window)双指针法就是将原本暴力O(n^3)的解法,降为O(n^2)的解法,四数之和的双指针解法就是将原本暴力O(n^4)的解法,降为O(n^3)的解法。

之前我们讲过哈希表的经典题目:454.四数相加II (opens new window),相对于本题简单很多,因为本题是要求在一个集合中找出四个数相加等于target,同时四元组不能重复。

454.四数相加II (opens new window)是四个独立的数组,只要找到A[i] + B[j] + C[k] + D[l] = 0就可以,不用考虑有重复的四个元素相加等于0的情况,所以相对于本题还是简单了不少!

我们来回顾一下,几道题目使用了双指针法。

双指针法将时间复杂度O(n^2)的解法优化为 O(n)的解法。也就是降一个数量级,题目如下:

操作链表:

双指针法在字符串题目中还有很多应用,后面还会介绍到。

C++代码

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> fourSum(vector<int>& nums, int target) {
        vector<vector<int>> result;
        sort(nums.begin(), nums.end());
        for (int k = 0; k < nums.size(); k++) {
            // 这种剪枝是错误的,这道题目target 是任意值
            // if (nums[k] > target) {
            //     return result;
            // }
            // 去重
            if (k > 0 && nums[k] == nums[k - 1]) {
                continue;
            }
            for (int i = k + 1; i < nums.size(); i++) {
                // 正确去重方法
                if (i > k + 1 && nums[i] == nums[i - 1]) {
                    continue;
                }
                int left = i + 1;
                int right = nums.size() - 1;
                while (right > left) {
                    if (nums[k] + nums[i] + nums[left] + nums[right] > target) {
                        right--;
                    } else if (nums[k] + nums[i] + nums[left] + nums[right] < target) {
                        left++;
                    } else {
                        result.push_back(vector<int>{nums[k], nums[i], nums[left], nums[right]});
                        // 去重逻辑应该放在找到一个四元组之后
                        while (right > left && nums[right] == nums[right - 1]) right--;
                        while (right > left && nums[left] == nums[left + 1]) left++;

                        // 找到答案时,双指针同时收缩
                        right--;
                        left++;
                    }
                }

            }
        }
        return result;
    }

};
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# 其他语言版本

Java:

class Solution {
    public List<List<Integer>> fourSum(int[] nums, int target) {
        List<List<Integer>> result = new ArrayList<>();
        Arrays.sort(nums);
       
        for (int i = 0; i < nums.length; i++) {

            if (i > 0 && nums[i - 1] == nums[i]) {
                continue;
            }
            
            for (int j = i + 1; j < nums.length; j++) {

                if (j > i + 1 && nums[j - 1] == nums[j]) {
                    continue;
                }

                int left = j + 1;
                int right = nums.length - 1;
                while (right > left) {
                    int sum = nums[i] + nums[j] + nums[left] + nums[right];
                    if (sum > target) {
                        right--;
                    } else if (sum < target) {
                        left++;
                    } else {
                        result.add(Arrays.asList(nums[i], nums[j], nums[left], nums[right]));
                        
                        while (right > left && nums[right] == nums[right - 1]) right--;
                        while (right > left && nums[left] == nums[left + 1]) left++;

                        left++;
                        right--;
                    }
                }
            }
        }
        return result;
    }
}
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Python:

# 双指针法
class Solution:
    def fourSum(self, nums: List[int], target: int) -> List[List[int]]:
        
        nums.sort()
        n = len(nums)
        res = []
        for i in range(n):
            if i > 0 and nums[i] == nums[i - 1]: continue
            for k in range(i+1, n):
                if k > i + 1 and nums[k] == nums[k-1]: continue
                p = k + 1
                q = n - 1

                while p < q:
                    if nums[i] + nums[k] + nums[p] + nums[q] > target: q -= 1
                    elif nums[i] + nums[k] + nums[p] + nums[q] < target: p += 1
                    else:
                        res.append([nums[i], nums[k], nums[p], nums[q]])
                        while p < q and nums[p] == nums[p + 1]: p += 1
                        while p < q and nums[q] == nums[q - 1]: q -= 1
                        p += 1
                        q -= 1
        return res
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# 哈希表法
class Solution(object):
    def fourSum(self, nums, target):
        """
        :type nums: List[int]
        :type target: int
        :rtype: List[List[int]]
        """
        # use a dict to store value:showtimes
        hashmap = dict()
        for n in nums:
            if n in hashmap:
                hashmap[n] += 1
            else: 
                hashmap[n] = 1
        
        # good thing about using python is you can use set to drop duplicates.
        ans = set()
        for i in range(len(nums)):
            for j in range(i + 1, len(nums)):
                for k in range(j + 1, len(nums)):
                    val = target - (nums[i] + nums[j] + nums[k])
                    if val in hashmap:
                        # make sure no duplicates.
                        count = (nums[i] == val) + (nums[j] == val) + (nums[k] == val)
                        if hashmap[val] > count:
                            ans.add(tuple(sorted([nums[i], nums[j], nums[k], val])))
                    else:
                        continue
        return ans
        
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Go:

func fourSum(nums []int, target int) [][]int {
	if len(nums) < 4 {
		return nil
	}
	sort.Ints(nums)
	var res [][]int
	for i := 0; i < len(nums)-3; i++ {
		n1 := nums[i]
		// if n1 > target { // 不能这样写,因为可能是负数
		// 	break
		// }
		if i > 0 && n1 == nums[i-1] {
			continue
		}
		for j := i + 1; j < len(nums)-2; j++ {
			n2 := nums[j]
			if j > i+1 && n2 == nums[j-1] {
				continue
			}
			l := j + 1
			r := len(nums) - 1
			for l < r {
				n3 := nums[l]
				n4 := nums[r]
				sum := n1 + n2 + n3 + n4
				if sum < target {
					l++
				} else if sum > target {
					r--
				} else {
					res = append(res, []int{n1, n2, n3, n4})
					for l < r && n3 == nums[l+1] { // 去重
						l++
					}
					for l < r && n4 == nums[r-1] { // 去重
						r--
					}
					// 找到答案时,双指针同时靠近
					r--
					l++
				}
			}
		}
	}
	return res
}
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javaScript:

/**
 * @param {number[]} nums
 * @param {number} target
 * @return {number[][]}
 */
var fourSum = function(nums, target) {
    const len = nums.length;
    if(len < 4) return [];
    nums.sort((a, b) => a - b);
    const res = [];
    for(let i = 0; i < len - 3; i++) {
        // 去重i
        if(i > 0 && nums[i] === nums[i - 1]) continue;
        for(let j = i + 1; j < len - 2; j++) {
            // 去重j
            if(j > i + 1 && nums[j] === nums[j - 1]) continue;
            let l = j + 1, r = len - 1;
            while(l < r) {
                const sum = nums[i] + nums[j] + nums[l] + nums[r];
                if(sum < target) { l++; continue}
                if(sum > target) { r--; continue}
                res.push([nums[i], nums[j], nums[l], nums[r]]);
                while(l < r && nums[l] === nums[++l]);
                while(l < r && nums[r] === nums[--r]);
            }
        } 
    }
    return res;
};
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PHP:

class Solution {
    /**
     * @param Integer[] $nums
     * @param Integer $target
     * @return Integer[][]
     */
    function fourSum($nums, $target) {
        $res = [];
        sort($nums);
        for ($i = 0; $i < count($nums); $i++) {
            if ($i > 0 && $nums[$i] == $nums[$i - 1]) {
                continue;
            }
            for ($j = $i + 1; $j < count($nums); $j++) {
                if ($j > $i + 1 && $nums[$j] == $nums[$j - 1]) {
                    continue;
                }
                $left = $j + 1;
                $right = count($nums) - 1;
                while ($left < $right) {
                    $sum = $nums[$i] + $nums[$j] + $nums[$left] + $nums[$right];
                    if ($sum < $target) {
                        $left++;
                    }
                    else if ($sum > $target) {
                        $right--;
                    }
                    else {
                        $res[] = [$nums[$i], $nums[$j], $nums[$left], $nums[$right]];
                        while ($left < $right && $nums[$left] == $nums[$left+1]) $left++;
                        while ($left < $right && $nums[$right] == $nums[$right-1]) $right--;
                        $left++;
                        $right--;
                    }
                }
            }
        }
        return $res;
    }
}
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