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标题:O(n) 线性时间求解特殊累加序列的最大值

心靈之曲

心靈之曲

发布时间:2026-01-21 11:28:44

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标题:O(n) 线性时间求解特殊累加序列的最大值

本文介绍一种 o(n) 时间、o(1) 空间复杂度的高效算法,用于求解由给定数组 `a` 构造的特殊序列 `b` 中的最大元素,彻底替代暴力 o(n²) 方法。

该问题的核心在于理解序列 b 的构造规律。观察题中示例:

b[0] = 0  
b[1] = b[0] + a[0]  
b[2] = b[1] + a[0]  
b[3] = b[2] + a[1]  
b[4] = b[3] + a[0]  
b[5] = b[4] + a[1]  
b[6] = b[5] + a[2]  
b[7] = b[6] + a[0]  
...

可发现:b 是按“轮次(round)”分组生成的——第 i 轮(从 0 开始)新增 i+1 个元素,且这些元素均以第 i 轮起始的 b 值为基础,依次累加 a[0], a[0]+a[1], a[0]+a[1]+a[2], …, sum(a[0..i])。换言之,第 i 轮生成的子序列等价于:

b_start_i + prefix_sum(a[0..0]),  
b_start_i + prefix_sum(a[0..1]),  
...,  
b_start_i + prefix_sum(a[0..i])

因此,该轮内 b 的最大值 = b_start_i + max_prefix_sum(a[0..i])。

关键洞察在于:我们无需显式构建整个 b 数组,只需在遍历 a 的过程中动态维护两个核心量:

  • b 当前轮次的起始值(即上一轮末尾的 b 值);
  • a 前缀和序列中的当前最大值(即 max(prefix_sum(a[0..i])))。

而这两者均可在 O(1) 时间内递推更新:

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  • 设 sum_a 表示 a[0..i] 的和(即当前轮次完整前缀和),则 b 的下一轮起始值就是 b += sum_a;
  • max_sum_a = max(max_sum_a, sum_a) 即为当前最大前缀和;
  • 本轮 b 的最大候选值为 b_prev_round_start + max_sum_a,与全局最大值 max_b 比较更新。

由此得到简洁高效的线性解法:

def find_max_linear(a):
    b = max_b = 0      # b: 当前轮起始值;max_b: 全局最大b值
    sum_a = max_sum_a = 0  # sum_a: a[0..i]之和;max_sum_a: 当前最大前缀和
    for x in a:
        sum_a += x
        max_sum_a = max(max_sum_a, sum_a)
        max_b = max(max_b, b + max_sum_a)  # 本轮最大b = 起始b + 最大前缀和
        b += sum_a                         # 更新下一轮起始b值
    return max_b

时间复杂度:O(n) —— 单次遍历 a;
空间复杂度:O(1) —— 仅使用常数额外变量;
⚠️ 注意事项

  • 初始 b[0] = 0 已包含在 max_b = 0 初始化中,无需额外处理;
  • a 可含负数或零,算法天然支持(因 max_sum_a 可能保持为 0,对应不取任何前缀);
  • 若所有前缀和均为负,max_sum_a 将维持为 0,此时 max_b 至少为 0(即 b[0]),符合定义。

作为补充,还可借助 itertools.accumulate 写出函数式风格的一行解(O(n) 时间,O(n) 空间):

from itertools import accumulate
from operator import add

def find_max_linear_oneliner(a):
    acc_a = list(accumulate(a))               # [a0, a0+a1, a0+a1+a2, ...]
    acc_acc_a = list(accumulate(acc_a))       # 各轮起始b值(不含b[0])
    max_prefix = list(accumulate(acc_a, max)) # 各轮最大前缀和
    return max(0, *map(add, [0] + acc_acc_a, [0] + max_prefix))

但生产环境推荐首选第一版——它无额外空间开销、逻辑清晰、易于验证与调试。该解法不仅解决了本题,更体现了“识别结构 → 抽象状态 → 动态递推”的典型算法优化思维。

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