1649. 通过指令创建有序数组

题目描述

给你一个整数数组 instructions ，你需要根据 instructions 中的元素创建一个有序数组。一开始你有一个空的数组 nums ，你需要 从左到右 遍历 instructions 中的元素，将它们依次插入 nums 数组中。每一次插入操作的代价是以下两者的 较小值 ：

nums 中 严格小于 instructions[i] 的数字数目。
nums 中 严格大于 instructions[i] 的数字数目。

比方说，如果要将 3 插入到 nums = [1,2,3,5] ，那么插入操作的代价为 min(2, 1) (元素 1 和 2 小于 3 ，元素 5 大于 3 ），插入后 nums 变成 [1,2,3,3,5] 。

请你返回将 instructions 中所有元素依次插入 nums 后的 总最小代价 。由于答案会很大，请将它对 10⁹ + 7 取余后返回。

示例 1：

输入：instructions = [1,5,6,2]
输出：1
解释：一开始 nums = [] 。
插入 1 ，代价为 min(0, 0) = 0 ，现在 nums = [1] 。
插入 5 ，代价为 min(1, 0) = 0 ，现在 nums = [1,5] 。
插入 6 ，代价为 min(2, 0) = 0 ，现在 nums = [1,5,6] 。
插入 2 ，代价为 min(1, 2) = 1 ，现在 nums = [1,2,5,6] 。
总代价为 0 + 0 + 0 + 1 = 1 。

示例 2:

输入：instructions = [1,2,3,6,5,4]
输出：3
解释：一开始 nums = [] 。
插入 1 ，代价为 min(0, 0) = 0 ，现在 nums = [1] 。
插入 2 ，代价为 min(1, 0) = 0 ，现在 nums = [1,2] 。
插入 3 ，代价为 min(2, 0) = 0 ，现在 nums = [1,2,3] 。
插入 6 ，代价为 min(3, 0) = 0 ，现在 nums = [1,2,3,6] 。
插入 5 ，代价为 min(3, 1) = 1 ，现在 nums = [1,2,3,5,6] 。
插入 4 ，代价为 min(3, 2) = 2 ，现在 nums = [1,2,3,4,5,6] 。
总代价为 0 + 0 + 0 + 0 + 1 + 2 = 3 。

示例 3：

输入：instructions = [1,3,3,3,2,4,2,1,2]
输出：4
解释：一开始 nums = [] 。
插入 1 ，代价为 min(0, 0) = 0 ，现在 nums = [1] 。
插入 3 ，代价为 min(1, 0) = 0 ，现在 nums = [1,3] 。
插入 3 ，代价为 min(1, 0) = 0 ，现在 nums = [1,3,3] 。
插入 3 ，代价为 min(1, 0) = 0 ，现在 nums = [1,3,3,3] 。
插入 2 ，代价为 min(1, 3) = 1 ，现在 nums = [1,2,3,3,3] 。
插入 4 ，代价为 min(5, 0) = 0 ，现在 nums = [1,2,3,3,3,4] 。
插入 2 ，代价为 min(1, 4) = 1 ，现在 nums = [1,2,2,3,3,3,4] 。
插入 1 ，代价为 min(0, 6) = 0 ，现在 nums = [1,1,2,2,3,3,3,4] 。
插入 2 ，代价为 min(2, 4) = 2 ，现在 nums = [1,1,2,2,2,3,3,3,4] 。
总代价为 0 + 0 + 0 + 0 + 1 + 0 + 1 + 0 + 2 = 4 。

提示：

1 <= instructions.length <= 10⁵
1 <= instructions[i] <= 10⁵

解法

方法一：树状数组

树状数组，也称作“二叉索引树”（Binary Indexed Tree）或 Fenwick 树。它可以高效地实现如下两个操作：

单点更新 update(x, delta)：把序列 x 位置的数加上一个值 delta；
前缀和查询 query(x)：查询序列 [1,...x] 区间的区间和，即位置 x 的前缀和。

这两个操作的时间复杂度均为 O(log n)。

树状数组最基本的功能就是求比某点 x 小的点的个数（这里的比较是抽象的概念，可以是数的大小、坐标的大小、质量的大小等等）。

比如给定数组 a[5] = {2, 5, 3, 4, 1}，求 b[i] = 位置 i 左边小于等于 a[i] 的数的个数。对于此例，b[5] = {0, 1, 1, 2, 0}。

解决方案是直接遍历数组，每个位置先求出 query(a[i])，然后再修改树状数组 update(a[i], 1) 即可。当数的范围比较大时，需要进行离散化，即先进行去重并排序，然后对每个数字进行编号。

方法二：线段树

线段树将整个区间分割为多个不连续的子区间，子区间的数量不超过 log(width)。更新某个元素的值，只需要更新 log(width) 个区间，并且这些区间都包含在一个包含该元素的大区间内。

线段树的每个节点代表一个区间；
线段树具有唯一的根节点，代表的区间是整个统计范围，如 [1, N]；
线段树的每个叶子节点代表一个长度为 1 的元区间 [x, x]；
对于每个内部节点 [l, r]，它的左儿子是 [l, mid]，右儿子是 [mid + 1, r], 其中 mid = ⌊(l + r) / 2⌋ (即向下取整)。

本题线段树 Python3 代码 TLE，Java、C++ 代码 AC。

Python3

树状数组：

class BinaryIndexedTree:
    def __init__(self, n):
        self.n = n
        self.c = [0] * (n + 1)

    @staticmethod
    def lowbit(x):
        return x & -x

    def update(self, x, delta):
        while x <= self.n:
            self.c[x] += delta
            x += BinaryIndexedTree.lowbit(x)

    def query(self, x):
        s = 0
        while x > 0:
            s += self.c[x]
            x -= BinaryIndexedTree.lowbit(x)
        return s


class Solution:
    def createSortedArray(self, instructions: List[int]) -> int:
        n = max(instructions)
        tree = BinaryIndexedTree(n)
        ans = 0
        for num in instructions:
            a = tree.query(num - 1)
            b = tree.query(n) - tree.query(num)
            ans += min(a, b)
            tree.update(num, 1)
        return ans % int((1e9 + 7))

线段树：

class Node:
    def __init__(self):
        self.l = 0
        self.r = 0
        self.v = 0

class SegmentTree:
    def __init__(self, n):
        self.tr = [Node() for _ in range(4 * n)]
        self.build(1, 1, n)

    def build(self, u, l, r):
        self.tr[u].l = l
        self.tr[u].r = r
        if l == r:
            return
        mid = (l + r) >> 1
        self.build(u << 1, l, mid)
        self.build(u << 1 | 1, mid + 1, r)

    def modify(self, u, x, v):
        if self.tr[u].l == x and self.tr[u].r == x:
            self.tr[u].v += v
            return
        mid = (self.tr[u].l + self.tr[u].r) >> 1
        if x <= mid:
            self.modify(u << 1, x, v)
        else:
            self.modify(u << 1 | 1, x, v)
        self.pushup(u)

    def pushup(self, u):
        self.tr[u].v = self.tr[u << 1].v + self.tr[u << 1 | 1].v

    def query(self, u, l, r):
        if self.tr[u].l >= l and self.tr[u].r <= r:
            return self.tr[u].v
        mid = (self.tr[u].l + self.tr[u].r) >> 1
        v = 0
        if l <= mid:
            v = self.query(u << 1, l, r)
        if r > mid:
            v += self.query(u << 1 | 1, l, r)
        return v

class Solution:
    def createSortedArray(self, instructions: List[int]) -> int:
        n = max(instructions)
        tree = SegmentTree(n)
        ans = 0
        for num in instructions:
            a = tree.query(1, 1, num - 1)
            b = tree.query(1, 1, n) - tree.query(1, 1, num)
            ans += min(a, b)
            tree.modify(1, num, 1)
        return ans % int((1e9 + 7))

Java

树状数组：

class Solution {
    public int createSortedArray(int[] instructions) {
        int n = 100010;
        int mod = (int) 1e9 + 7;
        BinaryIndexedTree tree = new BinaryIndexedTree(n);
        int ans = 0;
        for (int num : instructions) {
            int a = tree.query(num - 1);
            int b = tree.query(n) - tree.query(num);
            ans += Math.min(a, b);
            ans %= mod;
            tree.update(num, 1);
        }
        return ans;
    }
}

class BinaryIndexedTree {
    private int n;
    private int[] c;

    public BinaryIndexedTree(int n) {
        this.n = n;
        c = new int[n + 1];
    }

    public void update(int x, int delta) {
        while (x <= n) {
            c[x] += delta;
            x += lowbit(x);
        }
    }

    public int query(int x) {
        int s = 0;
        while (x > 0) {
            s += c[x];
            x -= lowbit(x);
        }
        return s;
    }

    public static int lowbit(int x) {
        return x & -x;
    }
}

线段树：

class Solution {
    public int createSortedArray(int[] instructions) {
        int n = 100010;
        int mod = (int) 1e9 + 7;
        SegmentTree tree = new SegmentTree(n);
        int ans = 0;
        for (int num : instructions) {
            int a = tree.query(1, 1, num - 1);
            int b = tree.query(1, 1, n) - tree.query(1, 1, num);
            ans += Math.min(a, b);
            ans %= mod;
            tree.modify(1, num, 1);
        }
        return ans;
    }
}

class Node {
    int l;
    int r;
    int v;
}

class SegmentTree {
    private Node[] tr;

    public SegmentTree(int n) {
        tr = new Node[4 * n];
        for (int i = 0; i < tr.length; ++i) {
            tr[i] = new Node();
        }
        build(1, 1, n);
    }

    public void build(int u, int l, int r) {
        tr[u].l = l;
        tr[u].r = r;
        if (l == r) {
            return;
        }
        int mid = (l + r) >> 1;
        build(u << 1, l, mid);
        build(u << 1 | 1, mid + 1, r);
    }

    public void modify(int u, int x, int v) {
        if (tr[u].l == x && tr[u].r == x) {
            tr[u].v += v;
            return;
        }
        int mid = (tr[u].l + tr[u].r) >> 1;
        if (x <= mid) {
            modify(u << 1, x, v);
        } else {
            modify(u << 1 | 1, x, v);
        }
        pushup(u);
    }

    public void pushup(int u) {
        tr[u].v = tr[u << 1].v + tr[u << 1 | 1].v;
    }

    public int query(int u, int l, int r) {
        if (tr[u].l >= l && tr[u].r <= r) {
            return tr[u].v;
        }
        int mid = (tr[u].l + tr[u].r) >> 1;
        int v = 0;
        if (l <= mid) {
            v += query(u << 1, l, r);
        }
        if (r > mid) {
            v += query(u << 1 | 1, l, r);
        }
        return v;
    }
}

C++

树状数组：

class BinaryIndexedTree {
public:
    int n;
    vector<int> c;

    BinaryIndexedTree(int _n): n(_n), c(_n + 1){}

    void update(int x, int delta) {
        while (x <= n)
        {
            c[x] += delta;
            x += lowbit(x);
        }
    }

    int query(int x) {
        int s = 0;
        while (x > 0)
        {
            s += c[x];
            x -= lowbit(x);
        }
        return s;
    }

    int lowbit(int x) {
        return x & -x;
    }
};

class Solution {
public:
    int createSortedArray(vector<int>& instructions) {
        int n = 100010;
        int mod = 1e9 + 7;
        BinaryIndexedTree* tree = new BinaryIndexedTree(n);
        int ans = 0;
        for (int num : instructions)
        {
            int a = tree->query(num - 1);
            int b = tree->query(n) - tree->query(num);
            ans += min(a, b);
            ans %= mod;
            tree->update(num, 1);
        }
        return ans;
    }
};

线段树：

class Node {
public:
    int l;
    int r;
    int v;
};

class SegmentTree {
public:
    vector<Node*> tr;

    SegmentTree(int n) {
        tr.resize(4 * n);
        for (int i = 0; i < tr.size(); ++i) tr[i] = new Node();
        build(1, 1, n);
    }

    void build(int u, int l, int r) {
        tr[u]->l = l;
        tr[u]->r = r;
        if (l == r) return;
        int mid = (l + r) >> 1;
        build(u << 1, l, mid);
        build(u << 1 | 1, mid + 1, r);
    }

    void modify(int u, int x, int v) {
        if (tr[u]->l == x && tr[u]->r == x)
        {
            tr[u]->v += v;
            return;
        }
        int mid = (tr[u]->l + tr[u]->r) >> 1;
        if (x <= mid) modify(u << 1, x, v);
        else modify(u << 1 | 1, x, v);
        pushup(u);
    }

    void pushup(int u) {
        tr[u]->v = tr[u << 1]->v + tr[u << 1 | 1]->v;
    }

    int query(int u, int l, int r) {
        if (tr[u]->l >= l && tr[u]->r <= r) return tr[u]->v;
        int mid = (tr[u]->l + tr[u]->r) >> 1;
        int v = 0;
        if (l <= mid) v = query(u << 1, l, r);
        if (r > mid) v += query(u << 1 | 1, l, r);
        return v;
    }
};

class Solution {
public:
    int createSortedArray(vector<int>& instructions) {
        int n = *max_element(instructions.begin(), instructions.end());
        int mod = 1e9 + 7;
        SegmentTree* tree = new SegmentTree(n);
        int ans = 0;
        for (int num : instructions)
        {
            int a = tree->query(1, 1, num - 1);
            int b = tree->query(1, 1, n) - tree->query(1, 1, num);
            ans += min(a, b);
            ans %= mod;
            tree->modify(1, num, 1);
        }
        return ans;
    }
};

Go

树状数组：

type BinaryIndexedTree struct {
	n int
	c []int
}

func newBinaryIndexedTree(n int) *BinaryIndexedTree {
	c := make([]int, n+1)
	return &BinaryIndexedTree{n, c}
}

func (this *BinaryIndexedTree) lowbit(x int) int {
	return x & -x
}

func (this *BinaryIndexedTree) update(x, delta int) {
	for x <= this.n {
		this.c[x] += delta
		x += this.lowbit(x)
	}
}

func (this *BinaryIndexedTree) query(x int) int {
	s := 0
	for x > 0 {
		s += this.c[x]
		x -= this.lowbit(x)
	}
	return s
}

func createSortedArray(instructions []int) int {
	n := 100010
	mod := int(1e9 + 7)
	tree := newBinaryIndexedTree(n)
	ans := 0
	for _, num := range instructions {
		a, b := tree.query(num-1), tree.query(n)-tree.query(num)
		ans += min(a, b)
		ans %= mod
		tree.update(num, 1)
	}
	return ans
}

func min(a, b int) int {
	if a < b {
		return a
	}
	return b
}

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