《编程之美》学习笔记——2.19区间重合判断

一、问题

  给定一个源区间[x,y](y>=x)和N个无序的目标区间[x1,y1],[x2,y2],...,[xn,yn]，判断源区间[x,y]是不是在目标区间内。

例：

  给定源区间[1 6]和一组无须的目标区间[2 3][1 2][3 9]，即可认为区间[1 6]在区间[2 3][1 2][3 9]内（因为目标区间实际上时[1,9]）。

问题分析：

  输入：源区间[x,y]，可以用一个长度为2的数组表示；N个无序的目标区间[x1,y1],[x2,y2],...,[xn,yn]，可用为长度为N，子数组长度为2的二维数组表示。

  输出：1值表示源区间[x,y]在目标区间内，0值表示源区间[x,y]不在目标区间内。

  约束：为简化分析，这里表示区间的均是整数值，实际上可以考虑浮点表示；输入的所有区间[xi,yi]有xi <= yi。

二、解法

  解法一 遍历合并（自我思考实现）

思考：虽然问题中含有表示区间的含义[xi,yi]，但这里输入的所有的数据量为(N + 1) * 2。判断源区间是否在目标区间内，我们可以先对目标区间进行处理，将N个目标区间处理为n(n <= N)个区间（合并），处理后的区间有如下特点：两两交集均为零。接下来通过逐一判断源区间[x,y]是否在这些处理后的n个区间内即可知道源区间是否在目标区间内。

我们现在考虑如何将N个目标区间处理为n(n <= N)个区间（两两交集均为空集）。考虑到区间可能时大于两个的目标区间的并集，我们采用分治或递归的想法，不断进行两两有重合的区间求并集，直到任意两个区间间交集均为0。任意两个区间之间是否重叠，如[x1,y1]和[x2,y2]，通过判断x1,x2,y1,y2之间的大小关系即可。

时间复杂度：嵌套遍历处理目标区间时间复杂度为O(n^2)，判断源区间是否在这些区间内时间复杂度为O(n)，算法总时间复杂度为O(n^2)。

算法C实现：

设置标志位0和1分别表示处理后留下来的区间和丢弃的区间（当两个区间有重叠时修改前一个区间使之为这两个区间的并集，同时丢弃后一个区间）。

采用嵌套遍历，使得遍历后留下来的区间为对N个目标区间进行处理后的n个区间，并满足两两交集为空集。

/** * @file range_overlap_judgement.c * @brief judge if the given source range is in the given target ranges. * @author [e-mail] * @version 1.0 * @date 2015-02-03 */#include <stdlib.h>#include <stdio.h>// #define NDEBUG#include <assert.h>#include "memory.h"// #define NDBG_PRINT#include "debug_print.h"typedef int TYPE;#define MAX_COUNT      10TYPE array[MAX_COUNT][2] = {{0}};/** * @brief judge if the given source range is in the given target ranges. * * @param[in]     source   source range array length 2 * @param[in]     target   target range, each range has two values * @param[in]     count    target range count * * @return return 1 if the given source range is in the given target ranges, * others return 0. */TYPE range_overlap_judgement(TYPE* source, TYPE* target, TYPE count){    // x <= y for range [x, y]    assert(source[0] <= source[1]);    TYPE i, j;    for (i = 0; i < count; i++) {        assert(target[i << 1] <= target[(i << 1) + 1]);    }    // target range combined    TYPE *x1, *y1, *x2, *y2;    TYPE* flag_targe_done = SCALLOC(count, TYPE);    /// get first range    for (i = 0; i < count; i++) {        if (flag_targe_done[i])            continue;        x1 = target + (i << 1);        y1 = target + (i << 1) + 1;        /// do with the second range        for (j = i + 1; j < count; j++) {            if (flag_targe_done[j])                continue;            x2 = target + (j << 1);            y2 = target + (j << 1) + 1;            /// process two relative range            if (*x2 >= *x1 && *x2 <= *y1) {                if (y1 <= y2) {                    /// refresh range                    *y1 = *y2;                }                flag_targe_done[j] = 1;            } else if (*y2 >= *x1 && *y2 <= *y1) {                if (*x2 <= *x1) {                    /// refresh range                    *x1 = *x2;                }                flag_targe_done[j] = 1;            } else if(*x2 <= *x1 && *y1 <= *y2) {                /// refresh range                *x1 = *x2;                *y1 = *y2;                flag_targe_done[j] = 1;            }        }    }    // display the processed range    DEBUG_PRINT_STRING("test flag and range.\n");    for (i = 0; i < count; i++) {        /// ignore useless range        if (!flag_targe_done[i]) {            DEBUG_PRINT_VALUE("%d", target[i << 1]);            DEBUG_PRINT_VALUE("%d", target[(i << 1) + 1]);        }    }    // source range detect    DEBUG_PRINT_STRING("test source range.\n");    for (i = 0; i < count; i++) {        /// ignore useless range and test if source range in the target range        if (!flag_targe_done[i] && target[i << 1] <= source[0] &&                target[(i << 1) + 1] >= source[1]) {            SFREE(&flag_targe_done);            return 1;        }    }    SFREE(&flag_targe_done);    return 0;}int main(void) {    /// read range to array, each range write as [32,24]    TYPE count = 0;    while(count < MAX_COUNT && scanf("[%d,%d]\n",                *(array + count), *(array + count) + 1) == 2) {        ++count;    }    /// make last range as source range    TYPE source[2] = {0};    count--;    source[0] = array[count][0];    source[1] = array[count][1];    printf("the source range(ex:3 5) is [%d,%d]\n",source[0], source[1]);    printf("the target range count = %d\n", count);    /// output result    if(range_overlap_judgement(source, (TYPE*)array, count)) {        printf("The source range is in the target range.\n");    } else {        printf("The source range is not in the target range.\n");    }    return EXIT_SUCCESS;}

  解法二 （参考 《编程之美》）

  解法一可以改善的地方是合并目标区间的算法，解法一采用的是嵌套遍历，时间复杂度是O(n^2)。解法二采用另一种和并目标区间的算法，思路如下：首先利用区间的左值边界先对区间进行快速排序O(n*lgn)，再进行合并O(n)。这样接下来可以使用二分查找进行查找(单次查找O(lgn))并判断源区间是否在目标区间内，(思路一如下：分别查找源区间的两个边界处于排序合并后的哪个区间，再判断这两个区间是否为同一个区间，若为同一个，则说明源区间在目标区间内；思路二如下：查找源区间的一个边界处于排序后并后哪个区间，再判断另一个边界是否位于此区间内）。这种算法总的时间复杂度为O(n*lgn + n + k*lgn)(k为查找次数)。不仅总的时间复杂度减低了，还有一个优点就是：若给定多个源区间(k >> n)，则判定每个源区间是否在目标区间内仅需O(lgn)时间，大大加快来查找的速度(解法一需O(n)时间)。

  分析：尽管N个目标区间均采用两个数而不是一个数来表示，但是仍然可以利用快速排序和二分查找算法对这些数据进行处理，稍微变换下排序思路和查找思路即可，可见排序查找的应用是相当广泛的，并不局限一个单个数据，可以拓展到其他类型。