如何判斷單鏈表中有環及證明過程


 

 

問題:

1.如何判斷單鏈表里面是否有環?

算法的思想是設定兩個指針p, q,其中p每次向前移動一步,q每次向前移動兩步。那么如果單鏈表存在環,則p和q相遇;否則q將首先遇到null。
這里主要理解一個問題,就是為什么當單鏈表存在環時,p和q一定會相遇呢?


假定單鏈表的長度為n,並且該單鏈表是環狀的,那么第i次迭代時,p指向元素i mod n,q指向2i mod n。因此當i≡2i(mod n)時,p與q相遇。而i≡2i(mod n) => (2i - i) mod n = 0 => i mod n = 0 => 當i=n時,p與q相遇。這里一個簡單的理解是,p和q同時在操場跑步,其中q的速度是p的兩倍,當他們兩個同時出發時,p跑一圈到達起點,而q此時也剛 好跑完兩圈到達起點。
那么當p與q起點不同呢?假定第i次迭代時p指向元素i mod n,q指向k+2i mod n,其中0<k<n。那么i≡(2i+k)(mod n) => (i+k) mod n = 0 => 當i=n-k時,p與q相遇。

這里的關鍵是理解,其實,快指針和慢指針雖然一開始不在環里,但是當他們都進入環里的時候,其實這個問題的模型相當於兩個指針在環里起點不同的模型。

懂了這點,后續很多證明都好理解了。

擴展閱讀:

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1. 如果兩個指針的速度不一樣,比如p,q,( 0<p<q)二者滿足什么樣的關系,可以使得兩者肯定交與一個節點?

    Sp(i) = pi

    Sq(i) = k + qi

   如果兩個要相交於一個節點,則 Sp(i) = Sq(i) =>  (pi) mod n = ( k+ qi ) mod n =>[ (q -p)i + k ]  mod n =0

   =>  (q-p)i + k  = Nn [N 為自然數]

   =>  i = (Nn -k) /(p-q)

   i取自然數,則當 p,q滿足上面等式 即 存在一個自然數N,可以滿足Nn -k 是 p - q 的倍數時,保證兩者相交。

   特例:如果q 是p 的步長的兩倍,都從同一個起點開始,即 q = 2p , k =0, 那么等式變為: Nn=i: 即可以理解為,當第i次迭代時,i是圈的整數倍時,兩者都可以交,交點就是為起點。

2.如何判斷單鏈表的環的長度?

   這個比較簡單,知道q 已經進入到環里,保存該位置。然后由該位置遍歷,當再次碰到該q 位置即可,所迭代的次數就是環的長度。

3. 如何找到鏈表中第一個在環里的節點?

   假設鏈表長度是L,前半部分長度為k-1,那么第一個再環里的節點是k,環的長度是 n, 那么當q=2p時, 什么時候第一次相交呢?當q指針走到第k個節點時,q指針已經在環的第 k mod n 的位置。即p和q 相差k個元素,從不同的起點開始,則相交的位置為 n-k, 則有了下面的圖:

從圖上可以明顯看到,當p從交點的位置(n-k) ,向前遍歷k個節點就到到達環的第一個幾點,節點k.

算法就很簡單: 一個指針從p和q 中的第一次相交的位置起(n-k),另外一個指針從鏈表頭開始遍歷,其交點就是鏈表中第一個在環里的交點。


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