news 2026/5/30 23:57:31

【Hot100-Java中等】LeetCode 11. 盛最多水的容器:双指针法的直观理解与数学证明

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张小明

前端开发工程师

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【Hot100-Java中等】LeetCode 11. 盛最多水的容器:双指针法的直观理解与数学证明

在 LeetCode 的Hot 100题单中,第 11 题“盛最多水的容器”是一道极具代表性的题目。它不仅考察编程技巧,更考察通过数学逻辑优化算法的能力。

这道题的暴力解法很容易想到,但要达到的最优复杂度,需要利用双指针技巧。今天我们就来深入剖析这道题。

1. 题目核心分析

题目描述:给定一个数组height,数组中的每个元素代表一条垂直线的长度。找出两条线,使得它们与 x 轴共同构成的容器可以容纳最多的水。

核心公式

我们面临的是一个权衡问题:

  • 想要面积大,宽度(距离)要大。

  • 想要面积大,高度(短板)也要高。

    但因为木桶效应,容器的高度取决于两边较短的那条线。


2. 为什么暴力法不可行?

最直观的想法是两层for循环,枚举所有可能的组合(i, j),计算面积并取最大值。

  • 时间复杂度

  • 数据范围:题目提示

  • 结果的平方是,这远远超过了计算机 1 秒钟的处理能力(约次运算),会导致超时 (TLE)

因此,我们需要寻找一种线性时间 $O(N)$ 的解法。


3. 核心解法:双指针 (Double Pointer)

算法流程

我们采用“缩减搜索空间”的策略。

  1. 初始状态:定义两个指针,left指向数组开头,right指向数组结尾。此时宽度最大

  2. 计算面积:计算当前leftright围成的面积,更新最大值maxArea

  3. 移动策略(关键)

    • 如果height[left] < height[right]移动左指针(left++)。

    • 如果height[left] >= height[right]移动右指针(right--)。

    • 口诀谁短动谁。

  4. 终止条件:当leftright相遇时停止。

为什么是“谁短动谁”?(直观理解)

假设现在left处的线比right处的线短。

  • 如果不移动left(短板),而是移动right(长板)

    • 宽度:一定变小。

    • 高度:受限于left(短板)。无论right移过来的新线有多高,整个容器的高度绝不可能超过left的高度。如果新线比left还矮,高度甚至会更低。

    • 结论:宽度变小,高度不变或变小面积一定变小

这意味着,只要left是短板,这一轮以left为边界的所有情况(left和任意right的组合)中,最开始算的那次(最远距离)就是最大的。left已经没有利用价值了,所以我们丢弃left,尝试找一根更高的线。


4. 严谨的数学证明

如果你觉得直观理解不够严谨,我们来看一下数学推导。

假设当前左右指针分别为,且(左边是短板)。

当前的距离为

当前面积

证明:为什么要移动

我们要证明的是:在保留的情况下,无论 $R$ 向左移动到任何位置(),得到的面积一定小于等于

  1. 新的宽度,显然

  2. 新的高度

    • 因为高度由短板决定,所以恒成立。

  3. 新面积

    • 因为

    • 所以恒成立

结论:只要确定了是短板,那么右边任意一条线的组合,最大面积只能是当前算出来的这个。因此,我们可以安全地排除,去探索新的可能性。


5. 代码实现 (Java)

Java

class Solution { public int maxArea(int[] height) { // 定义双指针,分别指向头尾 int l = 0, r = height.length - 1; int ans = 0; while (l < r) { // 1. 计算当前面积 // 高度由短板决定 int currentHeight = Math.min(height[l], height[r]); // 宽度是索引差 int currentWidth = r - l; int area = currentHeight * currentWidth; // 2. 更新最大面积 ans = Math.max(ans, area); // 3. 移动策略:谁短动谁 // 移动短板是为了试图找到更高的板子,从而可能抵消宽度的减小 if (height[l] <= height[r]) { l++; } else { r--; } } return ans; } }

6. 复杂度分析

  • 时间复杂度:

    • 双指针lr总共遍历整个数组一次。每个元素最多被访问一次。

  • 空间复杂度:

    • 只需要存储l,r,ans等几个变量,不需要额外的数组空间。

7. 总结

LeetCode 11 题是贪心思想双指针结合的典范。

解决此题的关键在于打破“遍历所有组合”的思维定势,转而思考:什么情况下我们能确定一条边已经发挥了最大潜力,可以被安全地“丢弃”?

  • Wood Bucket Theory(木桶理论):短板决定容量。

  • 消去法:移动短板那一侧的指针,相当于排除了该短板与其他所有远端边组合的可能性,因为它们一定比当前面积小。

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