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📜  给定数组的索引范围[L,R]中按位AND的查询(1)

📅  最后修改于: 2023-12-03 14:56:54.749000             🧑  作者: Mango

给定数组的索引范围[L,R]中按位AND的查询

在某些情况下,我们需要对给定数组的一段范围内的元素进行按位AND操作。这个问题在很多算法中都有应用。下面介绍一种简单有效的解决方案。

方法一:暴力枚举

首先,我们可以使用暴力枚举的方法来实现这个功能。具体步骤如下:

  1. 从左至右遍历指定范围内的所有元素,记录最初的结果为数组第一个元素。
  2. 对于范围中后面的元素,将它们和最初的结果按位取AND,并将结果更新为新的最初结果。
  3. 直到遍历完所有元素,返回最终的AND结果。

暴力枚举的时间复杂度为O(n),其中n为数组范围内的元素个数。虽然其时间效率不高,但其实现简单易懂,适用于小范围内的查询。

下面是一个暴力枚举的完整代码实现:

def rangeBitwiseAnd(nums, L, R):
    ans = nums[L]
    for i in range(L+1, R+1):
        ans &= nums[i]
    return ans
方法二:位运算

上一个方法虽然简单易懂,但其对于大范围的查询,性能表现欠佳。下面给出一种更加高效的位运算解决方案。

我们可以发现,对于数字二进制位上的某位,当我们找到[L,R]中最高位的二进制位时,结果中对应的二进制位必然为0。因为当这个二进制位为1时,一定会将[L,R]中的数字按位与得到1,导致该位最终为1;而当这个二进制位为0时,任何数字与之按位与的结果都必定为0,因此该位在最终结果中一定为0,我们就可以在该位忽略这个范围内的元素。

那么问题变成了如何找到最高位的二进制位。我们可以使用左移运算,从低位至高位逐个计算,直到找到最高位。

具体来说,假设我们要查询nums[L]到nums[R]范围内的元素按位AND结果,设res为查询的结果,mask为左移运算的掩码,初始化为1。首先,我们在原数字和mask的二进制表示中找到公共前缀,即找到最高位为1的二进制位k,此时mask的值就是最高位为k的那个二进制数,我们只需要将mask左移k位就可以求出剩下的结果。

下面是一个位运算的完整代码实现:

def rangeBitwiseAnd(nums, L, R):
    mask = 0x7fffffff  # 0x7fffffff对应的二进制数后31位均为1
    while L < R:
        while nums[L] & mask != nums[R] & mask:
            mask = mask << 1
        L += 1
        R -= 1
    return nums[L] & mask

该算法的时间复杂度为O(logn),其中n为数组范围内的元素个数。