Find the Missing Number

Question

Problem Statement

Given an array contains N numbers of 0 .. N, find which number doesn’t exist in the array.

Example

Given N = 3 and the array [0, 1, 3], return 2.

Challenge

Do it in-place with O(1) extra memory and O(n) time.

题解1 - 位运算

和找单数的题类似，这里我们不妨试试位运算中异或的思路。最开始自己想到的是利用相邻项异或结果看是否会有惊喜，然而发现 a^(a+1) != a^a + a^1 之后眼泪掉下来… 如果按照找单数的做法，首先对数组所有元素异或，得到数x1, 现在的问题是如何利用x1得到缺失的数，由于找单数中其他数都是成对出现的，故最后的结果即是单数，这里每个数都是单数，怎么办呢？我们现在再来分析下如果没有缺失数的话会是怎样呢？假设所有元素异或得到数x2, 数x1和x2有什么差异呢？假设缺失的数是x0，那么容易知道x2 = x1 ^ x0, 相当于现在已知x1和x2，要求x0. 根据 Bit Manipulation 中总结的交换律，x0 = x1 ^ x2.

位运算的题往往比较灵活，需要好好利用常用等式变换。

Java

  1. public class Solution {
  2.     /**
  3.      * @param nums: an array of integers
  4.      * @return: an integer
  5.      */
  6.     public int findMissing(int[] nums) {
  7.         if (nums == null || nums.length == 0) return -1;
  9.         // get xor from 0 to N excluding missing number
  10.         int x1 = 0;
  11.         for (int i : nums) {
  12.             x1 ^= i;
  13.         }
  15.         // get xor from 0 to N
  16.         int x2 = 0;
  17.         for (int i = 0; i <= nums.length; i++) {
  18.             x2 ^= i;
  19.         }
  21.         // missing = x1 ^ x2;
  22.         return x1 ^ x2;
  23.     }
  24. }

源码分析

略

复杂度分析

遍历原数组和 N+1大小的数组，时间复杂度 O(n), 空间复杂度 O(1).

题解2 - 桶排序

非常简单直观的想法——排序后检查缺失元素，但是此题中要求时间复杂度为 O(n), 因此如果一定要用排序来做，那一定是使用非比较排序如桶排序或者计数排序。题中另一提示则是要求只使用 O(1) 的额外空间，那么这就是在提示我们应该使用原地交换。根据题意，元素应无重复，可考虑使用桶排，索引和值一一对应即可。第一重 for 循环遍历原数组，内循环使用 while, 调整索引处对应的值，直至相等或者索引越界为止，for 循环结束时桶排结束。最后再遍历一次数组找出缺失元素。

初次接触这种题还是比较难想到使用桶排这种思想的，尤其是利用索引和值一一对应这一特性找出缺失元素，另外此题在实际实现时不容易做到 bug-free, while 循环处容易出现死循环。

Java

  1. public class Solution {
  2.     /**
  3.      * @param nums: an array of integers
  4.      * @return: an integer
  5.      */
  6.     public int findMissing(int[] nums) {
  7.         if (nums == null || nums.length == 0) return -1;
  9.         bucketSort(nums);
  10.         // find missing number
  11.         for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
  12.             if (nums[i] != i) {
  13.                 return i;
  14.             }
  15.         }
  17.         return nums.length;
  18.     }
  20.     private void bucketSort(int[] nums) {
  21.         for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
  22.             while (nums[i] != i) {
  23.                 // ignore nums[i] == nums.length
  24.                 if (nums[i] == nums.length) {
  25.                     break;
  26.                 }
  27.                 int nextNum = nums[nums[i]];
  28.                 nums[nums[i]] = nums[i];
  29.                 nums[i] = nextNum;
  30.             }
  31.         }
  32.     }
  33. }

源码分析

难点一在于正确实现桶排，难点二在于数组元素中最大值 N 如何处理。N 有三种可能：

  1. N 不在原数组中，故最后应该返回 N
  2. N 在原数组中，但不在数组中的最后一个元素
  3. N 在原数组中且在数组最后一个元素

其中情况1在遍历桶排后的数组时无返回，最后返回 N.

其中2和3在 while 循环处均会遇到 break 跳出，即当前这个索引所对应的值要么最后还是 N，要么就是和索引相同的值。如果最后还是 N, 也就意味着原数组中缺失的是其他值，如果最后被覆盖掉，那么桶排后的数组不会出现 N, 且缺失的一定是 N 之前的数。

综上，这里的实现无论 N 出现在哪个索引都能正确返回缺失值。实现上还是比较巧妙的，所以说在没做过这类题时要在短时间内 bug-free 比较难，当然也可能是我比较菜…

另外一个难点在于如何保证或者证明 while 一定不会出现死循环，可以这么理解，如果 while 条件不成立且未出现nums.length这个元素，那么就一定会使得一个元素正确入桶，又因为没有重复元素出现，故一定不会出现死循环。

复杂度分析

桶排时间复杂度 O(n), 空间复杂度 O(1). 遍历原数组找缺失数时间复杂度 O(n). 故总的时间复杂度为 O(n), 空间复杂度 O(1).