单调栈的原理与应用

定义:

单调栈,顾名思义,是栈内元素保持一定单调性(单调递增或单调递减)的栈。这里的单调递增或递减是指的从栈顶到栈底单调递增或递减。既然是栈,就满足后进先出的特点。与之相对应的是单调队列。

实现:

例如实现一个单调递增的栈,比如现在有一组数10,3,7,4,12。从左到右依次入栈,则如果栈为空或入栈元素值小于栈顶元素值,则入栈;否则,如果入栈则会破坏栈的单调性,则需要把比入栈元素小的元素全部出栈。单调递减的栈反之。

10入栈时,栈为空,直接入栈,栈内元素为10。

3入栈时,栈顶元素10比3大,则入栈,栈内元素为10,3。

7入栈时,栈顶元素3比7小,则栈顶元素出栈,此时栈顶元素为10,比7大,则7入栈,栈内元素为10,7。

4入栈时,栈顶元素7比4大,则入栈,栈内元素为10,7,4。

12入栈时,栈顶元素4比12小,4出栈,此时栈顶元素为7,仍比12小,栈顶元素7继续出栈,此时栈顶元素为10,仍比12小,10出栈,此时栈为空,12入栈,栈内元素为12。

至于代码的实现我觉得还是必须对应着题目去体会,也没有太死板的模板,下面只给出伪代码吧。

/*
* 本伪代码对应的是单调递减栈 
*共n个元素,编号为0~n-1
*/
while(栈为空) 栈顶元素出栈; //先清空栈
a[n]=-1;
for(i=0;i<=n;i++)
{
    if(栈为空或入栈元素大于等于栈顶元素) 入栈;
    else 
    {
        while(栈非空并且栈顶元素大于等于入栈元素)
        {
            栈顶元素出栈;
            更新结果; 
        } 
        将最后一次出栈的栈顶元素(即当前元素可以拓展到的位置)入栈; 
        更新最后一次出栈的栈顶元素其对应的值; 
    }      
}


输出结果; 


PS:将破坏栈单调性的元素都出栈后,最后一次出栈的元素就是当前入栈元素能拓展到的最左位置,更新其对应的值,并将其位置入栈。

应用:

以上就是一个单调栈的定义及其实现,下面就来说一下它可以解决哪些问题。其实我也不能给出证明,以证明它为什么能完成这些功能,只是简单的把它的用途说一下,碰到问题时就需要大家灵活运用了。

1.最基础的应用就是给定一组数,针对每个数,寻找它和它右边第一个比它大的数之间有多少个数。

2.给定一序列,寻找某一子序列,使得子序列中的最小值乘以子序列的长度最大。

3.给定一序列,寻找某一子序列,使得子序列中的最小值乘以子序列所有元素和最大。

对应题目:下面先只给出对应的题目和大体思路,至于题解稍后完成后再一一补充。当然这只是现阶段我自己碰到过的,可能不全,还请大家多多补充指正。

应用1对应题目:

1.POJ 3250

题意:有一群牛站成一排,每头牛都是面朝右的,每头牛可以看到他右边身高比他小的牛。给出每头牛的身高,要求每头牛能看到的牛的总数。

思路:这也就是应用1所说的求每个数和它右边第一个比它大的数之间的数的个数,分别求出后相加即可。朴素的做法是双重循环遍历,时间复杂度为O(n^2),用单调栈为O(n)。

题解:POJ 3250题解。

应用2对应题目:

1.POJ 2559

题意:有N个矩形,宽度都为1,给出N个矩形的高度,求由这N个矩形组成的图形包含的最大的矩形面积。

思路:可以转化为求区间最小值乘以区间长度的最大值。普通的思路是两重循环遍历,时间复杂度为O(n^2),用单调栈为O(n)。

题解:POJ 2559 题解。

2.POJ 3494

题意:求仅由0,1组成的矩阵中,全部由1组成的小矩阵的最大面积。

思路:这个是上一题POJ 2559的升级版,把一维的操作变成二维的即可。这之前需要一个预处理。

题解:POJ 3494题解。

应用3对应题目:

1.POJ 2796

题意:给出一个序列,求出一个子序列,使得这个序列中的最小值乘以这个序列的和的值最大。

思路:直接用单调栈解决即可,由于维护单调栈的过程中会改变原数组的值,所以需要加一个sum数组保存前缀和,也方便计算区间元素和。

题解:POJ 2796题解。
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作者:棉花糖灬 
来源:CSDN 
原文:https://blog.csdn.net/zuzhiang/article/details/78134247 
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