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M396.旋转函数 ​

math, https://leetcode.cn/problems/rotate-function/

给定一个长度为 n 的整数数组 nums 。

假设 arrk 是数组 nums 顺时针旋转 k 个位置后的数组,我们定义 nums 的 旋转函数 F 为:

  • F(k) = 0 * arrk[0] + 1 * arrk[1] + ... + (n - 1) * arrk[n - 1]

返回 F(0), F(1), ..., F(n-1)中的最大值 。

生成的测试用例让答案符合 32 位 整数。

示例 1:

输入: nums = [4,3,2,6]
输出: 26
解释:
F(0) = (0 * 4) + (1 * 3) + (2 * 2) + (3 * 6) = 0 + 3 + 4 + 18 = 25
F(1) = (0 * 6) + (1 * 4) + (2 * 3) + (3 * 2) = 0 + 4 + 6 + 6 = 16
F(2) = (0 * 2) + (1 * 6) + (2 * 4) + (3 * 3) = 0 + 6 + 8 + 9 = 23
F(3) = (0 * 3) + (1 * 2) + (2 * 6) + (3 * 4) = 0 + 2 + 12 + 12 = 26
所以 F(0), F(1), F(2), F(3) 中的最大值是 F(3) = 26 。

示例 2:

输入: nums = [100]
输出: 0

提示:

  • n == nums.length
  • 1 <= n <= 10^5
  • -100 <= nums[i] <= 100

这是一个经典的数组题目,核心在于通过数学推导找到 F(k) 与 F(k−1) 之间的递推关系,从而将时间复杂度从 O(n2) 降低到 O(n)。

数学推导

假设数组为 nums,长度为 n,数组所有元素的和为 S=∑i=0n−1nums[i]。

根据定义:

  • F(0)=0⋅nums[0]+1⋅nums[1]+⋯+(n−2)⋅nums[n−2]+(n−1)⋅nums[n−1]
  • F(1) 是顺时针旋转 1 位后的结果,即数组变为 [nums[n−1],nums[0],nums[1],…,nums[n−2]]: F(1)=0⋅nums[n−1]+1⋅nums[0]+2⋅nums[1]+⋯+(n−1)⋅nums[n−2]

我们计算 F(1)−F(0): F(1)−F(0)=(nums[0]+nums[1]+⋯+nums[n−2])−(n−1)⋅nums[n−1]

利用总和 S 代换: nums[0]+nums[1]+⋯+nums[n−2]=S−nums[n−1]

所以: F(1)−F(0)=(S−nums[n−1])−(n−1)⋅nums[n−1]F(1)−F(0)=S−n⋅nums[n−1] 即 F(1)=F(0)+S−n⋅nums[n−1]

推广到一般情况: F(k)=F(k−1)+S−n⋅nums[n−k]

算法步骤

  1. 计算数组所有元素的和 S。
  2. 计算初始函数值 F(0)。
  3. 利用递推公式 F(k)=F(k−1)+S−n⋅nums[n−k] 依次计算 F(1) 到 F(n−1)。
  4. 在计算过程中维护并返回最大值。

Python 代码实现

python
class Solution:
    def maxRotateFunction(self, nums: List[int]) -> int:
        n = len(nums)
        # 1. 计算数组总和 S
        s = sum(nums)
        
        # 2. 计算初始的 F(0)
        # f 代表当前的 F(k),初始为 F(0)
        f = sum(i * num for i, num in enumerate(nums))
        
        res = f
        
        # 3. 迭代计算 F(1) 到 F(n-1)
        # 根据推导:F(k) = F(k-1) + S - n * nums[n-k]
        for k in range(1, n):
            f = f + s - n * nums[n - k]
            if f > res:
                res = f
                
        return res

复杂度分析

  • 时间复杂度:O(n)。我们需要遍历数组一次计算 S 和 F(0),然后再遍历一次计算 F(k)。
  • 空间复杂度:O(1)。只使用了常数级别的额外空间。