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NxN 이진 행렬에서 0 만 포함 된 가장 큰 직사각형 찾기
NxN 이진 행렬 (0 또는 1 만 포함)이 주어지면 모든 0을 포함하는 가장 큰 직사각형을 어떻게 찾을 수 있습니까?
예:
I
0 0 0 0 1 0
0 0 1 0 0 1
II->0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 1 <--IV
0 0 1 0 0 0
IV
위의 예에서는 6x6 이진 행렬입니다. 이 경우 반환 값은 Cell 1 : (2, 1) 및 Cell 2 : (4, 4)입니다. 결과 하위 행렬은 정사각형 또는 직사각형이 될 수 있습니다. 반환 값은 모두 0의 가장 큰 부분 행렬의 크기 일 수도 있습니다 (이 예에서는 3 × 4).
다음 은 주석에서 @j_random_hacker 가 제안한 "히스토그램에서 가장 큰 직사각형"문제를 기반으로 한 솔루션입니다 .
[알고리즘] 은이 문제를 해결하는 각 행에 대해 위에서 아래로 행을 반복하는 방식으로 작동합니다 . 여기서 "히스토그램"의 "막대"는 현재 행에서 시작하는 0의 끊어지지 않은 위쪽 트레일로 구성됩니다 (열의 높이는 0입니다. 현재 행에 1이있는 경우).
입력 행렬 mat은 파일 또는 네트워크 스트림과 같이 임의의 반복 가능할 수 있습니다. 한 번에 하나의 행만 사용할 수 있어야합니다.
#!/usr/bin/env python
from collections import namedtuple
from operator import mul
Info = namedtuple('Info', 'start height')
def max_size(mat, value=0):
"""Find height, width of the largest rectangle containing all `value`'s."""
it = iter(mat)
hist = [(el==value) for el in next(it, [])]
max_size = max_rectangle_size(hist)
for row in it:
hist = [(1+h) if el == value else 0 for h, el in zip(hist, row)]
max_size = max(max_size, max_rectangle_size(hist), key=area)
return max_size
def max_rectangle_size(histogram):
"""Find height, width of the largest rectangle that fits entirely under
the histogram.
"""
stack = []
top = lambda: stack[-1]
max_size = (0, 0) # height, width of the largest rectangle
pos = 0 # current position in the histogram
for pos, height in enumerate(histogram):
start = pos # position where rectangle starts
while True:
if not stack or height > top().height:
stack.append(Info(start, height)) # push
elif stack and height < top().height:
max_size = max(max_size, (top().height, (pos - top().start)),
key=area)
start, _ = stack.pop()
continue
break # height == top().height goes here
pos += 1
for start, height in stack:
max_size = max(max_size, (height, (pos - start)), key=area)
return max_size
def area(size):
return reduce(mul, size)
용액 인 O(N)경우, N행렬의 요소 수이다. O(ncols)추가 메모리 가 필요합니다 ncols. 여기서은 행렬의 열 수입니다.
테스트가 포함 된 최신 버전은 https://gist.github.com/776423에 있습니다.
히스토그램에서 직사각형 영역 최대화를 살펴본 다음 아래 솔루션을 계속 읽으십시오.
Traverse the matrix once and store the following;
For x=1 to N and y=1 to N
F[x][y] = 1 + F[x][y-1] if A[x][y] is 0 , else 0
Then for each row for x=N to 1
We have F[x] -> array with heights of the histograms with base at x.
Use O(N) algorithm to find the largest area of rectangle in this histogram = H[x]
From all areas computed, report the largest.
시간 복잡도는 O (N * N) = O (N²) (NxN 이진 행렬의 경우)
예:
Initial array F[x][y] array
0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1
0 0 1 0 0 1 2 2 0 2 1 0
0 0 0 0 0 0 3 3 1 3 2 1
1 0 0 0 0 0 0 4 2 4 3 2
0 0 0 0 0 1 1 5 3 5 4 0
0 0 1 0 0 0 2 6 0 6 5 1
For x = N to 1
H[6] = 2 6 0 6 5 1 -> 10 (5*2)
H[5] = 1 5 3 5 4 0 -> 12 (3*4)
H[4] = 0 4 2 4 3 2 -> 10 (2*5)
H[3] = 3 3 1 3 2 1 -> 6 (3*2)
H[2] = 2 2 0 2 1 0 -> 4 (2*2)
H[1] = 1 1 1 1 0 1 -> 4 (1*4)
The largest area is thus H[5] = 12
다음은 가장 큰 직사각형의 면적과 함께 위치를 반환하는 Python3 솔루션입니다.
#!/usr/bin/env python3
import numpy
s = '''0 0 0 0 1 0
0 0 1 0 0 1
0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 1
0 0 1 0 0 0'''
nrows = 6
ncols = 6
skip = 1
area_max = (0, [])
a = numpy.fromstring(s, dtype=int, sep=' ').reshape(nrows, ncols)
w = numpy.zeros(dtype=int, shape=a.shape)
h = numpy.zeros(dtype=int, shape=a.shape)
for r in range(nrows):
for c in range(ncols):
if a[r][c] == skip:
continue
if r == 0:
h[r][c] = 1
else:
h[r][c] = h[r-1][c]+1
if c == 0:
w[r][c] = 1
else:
w[r][c] = w[r][c-1]+1
minw = w[r][c]
for dh in range(h[r][c]):
minw = min(minw, w[r-dh][c])
area = (dh+1)*minw
if area > area_max[0]:
area_max = (area, [(r-dh, c-minw+1, r, c)])
print('area', area_max[0])
for t in area_max[1]:
print('Cell 1:({}, {}) and Cell 2:({}, {})'.format(*t))
산출:
area 12
Cell 1:(2, 1) and Cell 2:(4, 4)
다음은 C #으로 번역 된 JF Sebastians 메서드입니다.
private Vector2 MaxRectSize(int[] histogram) {
Vector2 maxSize = Vector2.zero;
int maxArea = 0;
Stack<Vector2> stack = new Stack<Vector2>();
int x = 0;
for (x = 0; x < histogram.Length; x++) {
int start = x;
int height = histogram[x];
while (true) {
if (stack.Count == 0 || height > stack.Peek().y) {
stack.Push(new Vector2(start, height));
} else if(height < stack.Peek().y) {
int tempArea = (int)(stack.Peek().y * (x - stack.Peek().x));
if(tempArea > maxArea) {
maxSize = new Vector2(stack.Peek().y, (x - stack.Peek().x));
maxArea = tempArea;
}
Vector2 popped = stack.Pop();
start = (int)popped.x;
continue;
}
break;
}
}
foreach (Vector2 data in stack) {
int tempArea = (int)(data.y * (x - data.x));
if(tempArea > maxArea) {
maxSize = new Vector2(data.y, (x - data.x));
maxArea = tempArea;
}
}
return maxSize;
}
public Vector2 GetMaximumFreeSpace() {
// STEP 1:
// build a seed histogram using the first row of grid points
// example: [true, true, false, true] = [1,1,0,1]
int[] hist = new int[gridSizeY];
for (int y = 0; y < gridSizeY; y++) {
if(!invalidPoints[0, y]) {
hist[y] = 1;
}
}
// STEP 2:
// get a starting max area from the seed histogram we created above.
// using the example from above, this value would be [1, 1], as the only valid area is a single point.
// another example for [0,0,0,1,0,0] would be [1, 3], because the largest area of contiguous free space is 3.
// Note that at this step, the heigh fo the found rectangle will always be 1 because we are operating on
// a single row of data.
Vector2 maxSize = MaxRectSize(hist);
int maxArea = (int)(maxSize.x * maxSize.y);
// STEP 3:
// build histograms for each additional row, re-testing for new possible max rectangluar areas
for (int x = 1; x < gridSizeX; x++) {
// build a new histogram for this row. the values of this row are
// 0 if the current grid point is occupied; otherwise, it is 1 + the value
// of the previously found historgram value for the previous position.
// What this does is effectly keep track of the height of continous avilable spaces.
// EXAMPLE:
// Given the following grid data (where 1 means occupied, and 0 means free; for clairty):
// INPUT: OUTPUT:
// 1.) [0,0,1,0] = [1,1,0,1]
// 2.) [0,0,1,0] = [2,2,0,2]
// 3.) [1,1,0,1] = [0,0,1,0]
//
// As such, you'll notice position 1,0 (row 1, column 0) is 2, because this is the height of contiguous
// free space.
for (int y = 0; y < gridSizeY; y++) {
if(!invalidPoints[x, y]) {
hist[y] = 1 + hist[y];
} else {
hist[y] = 0;
}
}
// find the maximum size of the current histogram. If it happens to be larger
// that the currently recorded max size, then it is the new max size.
Vector2 maxSizeTemp = MaxRectSize(hist);
int tempArea = (int)(maxSizeTemp.x * maxSizeTemp.y);
if (tempArea > maxArea) {
maxSize = maxSizeTemp;
maxArea = tempArea;
}
}
// at this point, we know the max size
return maxSize;
}
이에 대해 유의해야 할 몇 가지 사항 :
- 이 버전은 Unity API와 함께 사용하기위한 것입니다. Vector2의 인스턴스를 KeyValuePair로 대체하여보다 일반적으로 쉽게 만들 수 있습니다. Vector2는 두 값을 저장하는 편리한 방법으로 만 사용됩니다.
- invalidPoints []는 bool의 배열입니다. true는 그리드 포인트가 "사용 중"임을 의미하고 false는 그렇지 않음을 의미합니다.
공간 복잡도 O (열) [O (행)로 수정 가능] 및 시간 복잡도 O (행 * 열) 솔루션
public int maximalRectangle(char[][] matrix) {
int m = matrix.length;
if (m == 0)
return 0;
int n = matrix[0].length;
int maxArea = 0;
int[] aux = new int[n];
for (int i = 0; i < n; i++) {
aux[i] = 0;
}
for (int i = 0; i < m; i++) {
for (int j = 0; j < n; j++) {
aux[j] = matrix[i][j] - '0' + aux[j];
maxArea = Math.max(maxArea, maxAreaHist(aux));
}
}
return maxArea;
}
public int maxAreaHist(int[] heights) {
int n = heights.length;
Stack<Integer> stack = new Stack<Integer>();
stack.push(0);
int maxRect = heights[0];
int top = 0;
int leftSideArea = 0;
int rightSideArea = heights[0];
for (int i = 1; i < n; i++) {
if (stack.isEmpty() || heights[i] >= heights[stack.peek()]) {
stack.push(i);
} else {
while (!stack.isEmpty() && heights[stack.peek()] > heights[i]) {
top = stack.pop();
rightSideArea = heights[top] * (i - top);
leftSideArea = 0;
if (!stack.isEmpty()) {
leftSideArea = heights[top] * (top - stack.peek() - 1);
} else {
leftSideArea = heights[top] * top;
}
maxRect = Math.max(maxRect, leftSideArea + rightSideArea);
}
stack.push(i);
}
}
while (!stack.isEmpty()) {
top = stack.pop();
rightSideArea = heights[top] * (n - top);
leftSideArea = 0;
if (!stack.isEmpty()) {
leftSideArea = heights[top] * (top - stack.peek() - 1);
} else {
leftSideArea = heights[top] * top;
}
maxRect = Math.max(maxRect, leftSideArea + rightSideArea);
}
return maxRect;
}
그러나 LeetCode에서 이것을 시도하면 Time Limite가 예외를 초과했습니다. 덜 복잡한 솔루션이 있습니까?
O (nxn) 방법을 제안합니다.
먼저 최대 빈 사각형을 모두 나열 할 수 있습니다. 비어 있음은 0 만 포함 함을 의미합니다. 최대 빈 직사각형은 (적어도) 하나의 1을 덮지 않고 방향으로 확장 할 수 없습니다.
이러한 목록을 생성하기위한 O (nxn) 알고리즘을 제시하는 논문은 www.ulg.ac.be/telecom/rectangles 및 소스 코드 (최적화되지 않음) 에서 찾을 수 있습니다 . 목록을 저장할 필요가 없습니다. 알고리즘이 사각형을 찾을 때마다 콜백 함수를 호출하고 가장 큰 사각형 만 저장하면됩니다 (또는 원하는 경우 다른 기준을 선택).
가장 큰 빈 사각형의 수가 이미지의 픽셀 수 (이 경우 nxn)에 의해 제한된다는 증거가 있습니다 (논문 참조).
따라서 최적의 직사각형 선택은 O (nxn)에서 할 수 있으며 전체적인 방법도 O (nxn)입니다.
실제로이 방법은 매우 빠르며 실시간 비디오 스트림 분석에 사용됩니다.
다음은 가장 큰 직사각형의 위치를 제공하는 jfs 솔루션 버전입니다.
from collections import namedtuple
from operator import mul
Info = namedtuple('Info', 'start height')
def max_rect(mat, value=0):
"""returns (height, width, left_column, bottom_row) of the largest rectangle
containing all `value`'s.
Example:
[[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 3, 2],
[0, 4, 0, 2, 4, 0, 0, 1, 0, 0],
[1, 0, 1, 0, 0, 0, 3, 0, 0, 4],
[0, 0, 0, 0, 4, 2, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 0, 2, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
[4, 3, 0, 0, 1, 2, 0, 0, 0, 0],
[3, 0, 0, 0, 2, 0, 0, 0, 0, 4],
[0, 0, 0, 1, 0, 3, 2, 4, 3, 2],
[0, 3, 0, 0, 0, 2, 0, 1, 0, 0]]
gives: (3, 4, 6, 5)
"""
it = iter(mat)
hist = [(el==value) for el in next(it, [])]
max_rect = max_rectangle_size(hist) + (0,)
for irow,row in enumerate(it):
hist = [(1+h) if el == value else 0 for h, el in zip(hist, row)]
max_rect = max(max_rect, max_rectangle_size(hist) + (irow+1,), key=area)
# irow+1, because we already used one row for initializing max_rect
return max_rect
def max_rectangle_size(histogram):
stack = []
top = lambda: stack[-1]
max_size = (0, 0, 0) # height, width and start position of the largest rectangle
pos = 0 # current position in the histogram
for pos, height in enumerate(histogram):
start = pos # position where rectangle starts
while True:
if not stack or height > top().height:
stack.append(Info(start, height)) # push
elif stack and height < top().height:
max_size = max(max_size, (top().height, (pos - top().start), top().start), key=area)
start, _ = stack.pop()
continue
break # height == top().height goes here
pos += 1
for start, height in stack:
max_size = max(max_size, (height, (pos - start), start), key=area)
return max_size
def area(size):
return size[0] * size[1]
완료하려면 직사각형 좌표를 출력하는 C # 버전이 있습니다. dmarra의 답변을 기반으로하지만 다른 종속성은 없습니다. 기능 만있다 부울 getPixel와 (INT의 X, INT Y) 좌표, Y가 X의 화소가 설정되어있는 경우 true를 반환한다.
public struct INTRECT
{
public int Left, Right, Top, Bottom;
public INTRECT(int aLeft, int aTop, int aRight, int aBottom)
{
Left = aLeft;
Top = aTop;
Right = aRight;
Bottom = aBottom;
}
public int Width { get { return (Right - Left + 1); } }
public int Height { get { return (Bottom - Top + 1); } }
public bool IsEmpty { get { return Left == 0 && Right == 0 && Top == 0 && Bottom == 0; } }
public static bool operator ==(INTRECT lhs, INTRECT rhs)
{
return lhs.Left == rhs.Left && lhs.Top == rhs.Top && lhs.Right == rhs.Right && lhs.Bottom == rhs.Bottom;
}
public static bool operator !=(INTRECT lhs, INTRECT rhs)
{
return !(lhs == rhs);
}
public override bool Equals(Object obj)
{
return obj is INTRECT && this == (INTRECT)obj;
}
public bool Equals(INTRECT obj)
{
return this == obj;
}
public override int GetHashCode()
{
return Left.GetHashCode() ^ Right.GetHashCode() ^ Top.GetHashCode() ^ Bottom.GetHashCode();
}
}
public INTRECT GetMaximumFreeRectangle()
{
int XEnd = 0;
int YStart = 0;
int MaxRectTop = 0;
INTRECT MaxRect = new INTRECT();
// STEP 1:
// build a seed histogram using the first row of grid points
// example: [true, true, false, true] = [1,1,0,1]
int[] hist = new int[Height];
for (int y = 0; y < Height; y++)
{
if (!GetPixel(0, y))
{
hist[y] = 1;
}
}
// STEP 2:
// get a starting max area from the seed histogram we created above.
// using the example from above, this value would be [1, 1], as the only valid area is a single point.
// another example for [0,0,0,1,0,0] would be [1, 3], because the largest area of contiguous free space is 3.
// Note that at this step, the heigh fo the found rectangle will always be 1 because we are operating on
// a single row of data.
Tuple<int, int> maxSize = MaxRectSize(hist, out YStart);
int maxArea = (int)(maxSize.Item1 * maxSize.Item2);
MaxRectTop = YStart;
// STEP 3:
// build histograms for each additional row, re-testing for new possible max rectangluar areas
for (int x = 1; x < Width; x++)
{
// build a new histogram for this row. the values of this row are
// 0 if the current grid point is occupied; otherwise, it is 1 + the value
// of the previously found historgram value for the previous position.
// What this does is effectly keep track of the height of continous avilable spaces.
// EXAMPLE:
// Given the following grid data (where 1 means occupied, and 0 means free; for clairty):
// INPUT: OUTPUT:
// 1.) [0,0,1,0] = [1,1,0,1]
// 2.) [0,0,1,0] = [2,2,0,2]
// 3.) [1,1,0,1] = [0,0,1,0]
//
// As such, you'll notice position 1,0 (row 1, column 0) is 2, because this is the height of contiguous
// free space.
for (int y = 0; y < Height; y++)
{
if (!GetPixel(x, y))
{
hist[y]++;
}
else
{
hist[y] = 0;
}
}
// find the maximum size of the current histogram. If it happens to be larger
// that the currently recorded max size, then it is the new max size.
Tuple<int, int> maxSizeTemp = MaxRectSize(hist, out YStart);
int tempArea = (int)(maxSizeTemp.Item1 * maxSizeTemp.Item2);
if (tempArea > maxArea)
{
maxSize = maxSizeTemp;
maxArea = tempArea;
MaxRectTop = YStart;
XEnd = x;
}
}
MaxRect.Left = XEnd - maxSize.Item1 + 1;
MaxRect.Top = MaxRectTop;
MaxRect.Right = XEnd;
MaxRect.Bottom = MaxRectTop + maxSize.Item2 - 1;
// at this point, we know the max size
return MaxRect;
}
private Tuple<int, int> MaxRectSize(int[] histogram, out int YStart)
{
Tuple<int, int> maxSize = new Tuple<int, int>(0, 0);
int maxArea = 0;
Stack<Tuple<int, int>> stack = new Stack<Tuple<int, int>>();
int x = 0;
YStart = 0;
for (x = 0; x < histogram.Length; x++)
{
int start = x;
int height = histogram[x];
while (true)
{
if (stack.Count == 0 || height > stack.Peek().Item2)
{
stack.Push(new Tuple<int, int>(start, height));
}
else if (height < stack.Peek().Item2)
{
int tempArea = (int)(stack.Peek().Item2 * (x - stack.Peek().Item1));
if (tempArea > maxArea)
{
YStart = stack.Peek().Item1;
maxSize = new Tuple<int, int>(stack.Peek().Item2, (x - stack.Peek().Item1));
maxArea = tempArea;
}
Tuple<int, int> popped = stack.Pop();
start = (int)popped.Item1;
continue;
}
break;
}
}
foreach (Tuple<int, int> data in stack)
{
int tempArea = (int)(data.Item2 * (x - data.Item1));
if (tempArea > maxArea)
{
YStart = data.Item1;
maxSize = new Tuple<int, int>(data.Item2, (x - data.Item1));
maxArea = tempArea;
}
}
return maxSize;
}
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