18. 4Sum

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Created At : 2021-08-03 18:33

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Given an array nums of n integers, return an array of all the unique quadruplets [nums[a], nums[b], nums[c], nums[d]] such that:

0 <= a, b, c, d < n
a, b, c, and d are distinct.
nums[a] + nums[b] + nums[c] + nums[d] == target

You may return the answer in any order.

Example 1:

**Input:** nums = [1,0,-1,0,-2,2], target = 0
**Output:** [[-2,-1,1,2],[-2,0,0,2],[-1,0,0,1]]

Example 2:

**Input:** nums = [2,2,2,2,2], target = 8
**Output:** [[2,2,2,2]]

Constraints:

1 <= nums.length <= 200
-10^9 <= nums[i] <= 10^9
-10^9 <= target <= 10^9

这道题给了一个整型数数组 nums 和一个目标值 target，让找出所有的四个数字的组合，使得其和等于给定的目标值 target。LeetCode 中关于数字之和还有其他几道，分别是 Two Sum ，3Sum ，3Sum Closest 等等，虽然难度在递增，但是整体的套路都是一样的，在这里为了避免重复项，我们使用了 STL 中的 TreeSet，其特点是不能有重复，如果新加入的数在 TreeSet 中原本就存在的话，插入操作就会失败，这样能很好的避免的重复项的存在。此题的 O(n^3) 解法的思路跟 3Sum 基本没啥区别，就是多加了一层 for 循环，其他的都一样，代码如下：

解法一：

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> fourSum(vector<int>& nums, int target) {
        set<vector<int>> res;
        sort(nums.begin(), nums.end());
        for (int i = 0; i < int(nums.size() - 3); ++i) {
            for (int j = i + 1; j < int(nums.size() - 2); ++j) {
                if (j > i + 1 && nums[j] == nums[j - 1]) continue;
                int left = j + 1, right = nums.size() - 1;
                while (left < right) {
                    long sum = (long)nums[i] + nums[j] + nums[left] + nums[right];
                    if (sum == target) {
                        vector<int> out{nums[i], nums[j], nums[left], nums[right]};
                        res.insert(out);
                        ++left; --right;
                    } else if (sum < target) ++left;
                    else --right;
                }
            }
        }
        return vector<vector<int>>(res.begin(), res.end());
    }
};

但是毕竟用 TreeSet 来进行去重复的处理还是有些取巧，可能在 Java 中就不能这么做，那么还是来看一种比较正统的做法吧，手动进行去重复处理。主要可以进行的有三个地方，首先在两个 for 循环下可以各放一个，因为一旦当前的数字跟上面处理过的数字相同了，那么找下来肯定还是重复的。之后就是当 sum 等于 target 的时候了，在将四个数字加入结果 res 之后，left 和 right 都需要去重复处理，分别像各自的方面遍历即可，参见代码如下：

解法二：

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> fourSum(vector<int>& nums, int target) {
        vector<vector<int>> res;
        int n = nums.size();
        sort(nums.begin(), nums.end());
        for (int i = 0; i < n - 3; ++i) {
            if (i > 0 && nums[i] == nums[i - 1]) continue;
            for (int j = i + 1; j < n - 2; ++j) {
                if (j > i + 1 && nums[j] == nums[j - 1]) continue;
                int left = j + 1, right = n - 1;
                while (left < right) {
                    long sum = (long)nums[i] + nums[j] + nums[left] + nums[right];
                    if (sum == target) {
                        vector<int> out{nums[i], nums[j], nums[left], nums[right]};
                        res.push_back(out);
                        while (left < right && nums[left] == nums[left + 1]) ++left;
                        while (left < right && nums[right] == nums[right - 1]) --right;
                        ++left; --right;
                    } else if (sum < target) ++left;
                    else --right;
                }
            }
        }
        return res;
    }
};

再来看一种更 generalize 的解法，为了避免 LeetCode 以后再出什么 5Sum 或 6Sum 的题目，我们还是来想一种 KSum 的解法吧，通用任意的数字。其实思路还是基于前面的经验，通过之前的 3Sum 和 4Sum 的题目，可以得出结论，都是要通过不断的固定数字，最后留出两个数字来进行双指针的遍历。对于 KSum 来说，就是要固定 K-2 的个数字，这里当然不能手动加 K-2 个 for 循环了，所以只能用递归来做，在 kSum 的函数中定义了一个递归函数 dfs，除了题目中给定的 nums 和 target 两个参数之外，还需要传入几个参数，分别是当前需要查找的个数k，查找范围左边界 left，右边界 right，以及当前数字组合 cur，和最终返回结果 res。

在递归函数中，判断若k等于2，说明此时可以使用双指针了，则进行 while 循环，若此时两个数字正好等于 target 了，则需要将两个数字都加入到 cur 中，然后将 cur 加入到结果 res 中。再将这两个数字从 cur 中移除，因为 cur 中本来可能有其他数字的，所以要移除新加的数字，以便尝试其他不同的组合。此时 left 和 right 分别跳过各自的重复数字，然后再分别移动一位即可。若两个数字之和小于 target，则左指针右移，否则右指针左移。若k大于2，则此时要固定数字，将 left 指向的数字加入到 cur 中，然后调用递归函数 dfs，此时的 target 要减去 nums[left]（注意这里为了防止溢出，dfs 函数的 target 定义成了长整型），此时传入 k-1 和 left+1，之后恢复状态，将 nums[left] 从 cur 中移除。然后 left 指针跳过后面的重复数字，之后再向右移动一位即可，参见代码如下：

解法三：

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> fourSum(vector<int>& nums, int target) {
        vector<vector<int>> res;
        int n = nums.size();
        sort(nums.begin(), nums.end());
        kSum(nums, target, 4, res);
        return res;
    }
    void kSum(vector<int>& nums, int target, int k, vector<vector<int>>& res) {
        vector<int> cur;
        dfs(nums, target, k, 0, (int)nums.size() - 1, cur, res);
    }
    void dfs(vector<int>& nums, long target, int k, int left, int right, vector<int>& cur, vector<vector<int>>& res) {
        if (k == 2) {
            while (left < right) {
                if (nums[left] + nums[right] == target) {
                    cur.push_back(nums[left]);
                    cur.push_back(nums[right]);
                    res.push_back(cur);
                    cur.pop_back();
                    cur.pop_back();
                    while (left < right && nums[left] == nums[left + 1]) ++left;
                    while (left < right && nums[right] == nums[right - 1]) --right;
                    ++left; --right;
                } else if (nums[left] + nums[right] < target) {
                    ++left;
                } else {
                    --right;
                }
            }
        }
        while (left < right) {
            cur.push_back(nums[left]);
            dfs(nums, target - nums[left], k - 1, left + 1, right, cur, res);
            cur.pop_back();
            while (left < right && nums[left] == nums[left + 1]) ++left;
            ++left;
        }
    }
};

Github 同步地址：

https://github.com/grandyang/leetcode/issues/18

类似题目：

Two Sum

3Sum

4Sum II

Count Special Quadruplets

参考资料：

https://leetcode.com/problems/4sum/

https://leetcode.com/problems/4sum/discuss/8549/My-16ms-c%2B%2B-code

https://leetcode.com/problems/4sum/discuss/8575/Clean-accepted-java-O(n3)-solution-based-on-3sum

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