《代码随想录第五十七天》——孤岛的总面积、沉没孤岛、水流问题、建造最大岛屿

《代码随想录第五十七天》——孤岛的总面积、沉没孤岛、水流问题、建造最大岛屿

本篇文章的所有内容仅基于C++撰写。

1. 孤岛的总面积

1.1 题目

孤岛的总面积
题目描述
给定一个由 1(陆地)和 0(水)组成的矩阵,岛屿指的是由水平或垂直方向上相邻的陆地单元格组成的区域,且完全被水域单元格包围。孤岛是那些位于矩阵内部、所有单元格都不接触边缘的岛屿。
现在你需要计算所有孤岛的总面积,岛屿面积的计算方式为组成岛屿的陆地的总数。

输入描述
第一行包含两个整数 N, M,表示矩阵的行数和列数。之后 N 行,每行包含 M 个数字,数字为 1 或者 0。

输出描述
输出一个整数,表示所有孤岛的总面积,如果不存在孤岛,则输出 0。

输入示例
4 5
1 1 0 0 0
1 1 0 0 0
0 0 1 0 0
0 0 0 1 1
输出示例:
1

提示信息:
在这里插入图片描述
在矩阵中心部分的岛屿,因为没有任何一个单元格接触到矩阵边缘,所以该岛屿属于孤岛,总面积为 1。

数据范围:
1 <= M, N <= 50。

1.2 分析

将所有靠近边缘的陆地都标记为海洋,最后剩下的就是孤岛,在这些孤岛中计算总面积。
广搜逻辑:

void dfs(vector<vector<int>>& grid, int x, int y) {
    grid[x][y] = 0;//第一步,将靠边的陆地都沉没
    count++;//第二步,计算孤岛的总面积
    for (int i = 0; i < 4; i++) { // 向四个方向遍历
        int nextx = x + dir[i][0];
        int nexty = y + dir[i][1];
        // 超过边界
        if (nextx < 0 || nextx >= grid.size() || nexty < 0 || nexty >= grid[0].size()) continue;
        // 不符合条件,不继续遍历
        if (grid[nextx][nexty] == 0) continue;//深度走到值为0的位置就是海洋处,就不往下搜了

        dfs (grid, nextx, nexty);
    }
    return;
}

沉没逻辑:

  // 从左侧边,和右侧边 向中间遍历
    for (int i = 0; i < n; i++) {//将靠近左侧和右侧的陆地沉没
        if (grid[i][0] == 1) dfs(grid, i, 0);//dfs是将靠边和与其相邻的陆地都沉没
        if (grid[i][m - 1] == 1) dfs(grid, i, m - 1);
    }
    // 从上边和下边 向中间遍历
    for (int j = 0; j < m; j++) {//将靠近上侧和下侧的陆地沉没
        if (grid[0][j] == 1) dfs(grid, 0, j);
        if (grid[n - 1][j] == 1) dfs(grid, n - 1, j);
    }

计算孤岛总面积:

  count = 0;
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        for (int j = 0; j < m; j++) {
            if (grid[i][j] == 1) dfs(grid, i, j);
        }
    }

1.3 代码

  1. 深搜
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int dir[4][2] = {-1, 0, 0, -1, 1, 0, 0, 1}; // 保存四个方向
int count; // 统计符合题目要求的陆地空格数量
void dfs(vector<vector<int>>& grid, int x, int y) {
    grid[x][y] = 0;
    count++;
    for (int i = 0; i < 4; i++) { // 向四个方向遍历
        int nextx = x + dir[i][0];
        int nexty = y + dir[i][1];
        // 超过边界
        if (nextx < 0 || nextx >= grid.size() || nexty < 0 || nexty >= grid[0].size()) continue;
        // 不符合条件,不继续遍历
        if (grid[nextx][nexty] == 0) continue;

        dfs (grid, nextx, nexty);
    }
    return;
}

int main() {
    int n, m;
    cin >> n >> m;
    vector<vector<int>> grid(n, vector<int>(m, 0));
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        for (int j = 0; j < m; j++) {
            cin >> grid[i][j];
        }
    }

    // 从左侧边,和右侧边 向中间遍历
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        if (grid[i][0] == 1) dfs(grid, i, 0);
        if (grid[i][m - 1] == 1) dfs(grid, i, m - 1);
    }
    // 从上边和下边 向中间遍历
    for (int j = 0; j < m; j++) {
        if (grid[0][j] == 1) dfs(grid, 0, j);
        if (grid[n - 1][j] == 1) dfs(grid, n - 1, j);
    }
    count = 0;
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        for (int j = 0; j < m; j++) {
            if (grid[i][j] == 1) dfs(grid, i, j);
        }
    }
    cout << count << endl;
}
  1. 广搜
#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
using namespace std;
int count = 0;
int dir[4][2] = {0, 1, 1, 0, -1, 0, 0, -1}; // 四个方向
void bfs(vector<vector<int>>& grid, int x, int y) {
    queue<pair<int, int>> que;
    que.push({x, y});
    grid[x][y] = 0; // 只要加入队列,立刻标记
    count++;
    while(!que.empty()) {
        pair<int ,int> cur = que.front(); que.pop();
        int curx = cur.first;
        int cury = cur.second;
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            int nextx = curx + dir[i][0];
            int nexty = cury + dir[i][1];
            if (nextx < 0 || nextx >= grid.size() || nexty < 0 || nexty >= grid[0].size()) continue;  // 越界了,直接跳过
            if (grid[nextx][nexty] == 1) {
                que.push({nextx, nexty});
                count++;
                grid[nextx][nexty] = 0; // 只要加入队列立刻标记
            }
        }
    }
}

int main() {
    int n, m;
    cin >> n >> m;
    vector<vector<int>> grid(n, vector<int>(m, 0));
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        for (int j = 0; j < m; j++) {
            cin >> grid[i][j];
        }
    }
    // 从左侧边,和右侧边 向中间遍历
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        if (grid[i][0] == 1) bfs(grid, i, 0);
        if (grid[i][m - 1] == 1) bfs(grid, i, m - 1);
    }
    // 从上边和下边 向中间遍历
    for (int j = 0; j < m; j++) {
        if (grid[0][j] == 1) bfs(grid, 0, j);
        if (grid[n - 1][j] == 1) bfs(grid, n - 1, j);
    }
    count = 0;
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        for (int j = 0; j < m; j++) {
            if (grid[i][j] == 1) bfs(grid, i, j);
        }
    }

    cout << count << endl;
}

2. 沉没孤岛

2.1 题目

沉没孤岛
题目描述:
给定一个由 1(陆地)和 0(水)组成的矩阵,岛屿指的是由水平或垂直方向上相邻的陆地单元格组成的区域,且完全被水域单元格包围。孤岛是那些位于矩阵内部、所有单元格都不接触边缘的岛屿。
现在你需要将所有孤岛“沉没”,即将孤岛中的所有陆地单元格(1)转变为水域单元格(0)。

输入描述:
第一行包含两个整数 N, M,表示矩阵的行数和列数。
之后 N 行,每行包含 M 个数字,数字为 1 或者 0,表示岛屿的单元格。

输出描述
输出将孤岛“沉没”之后的岛屿矩阵。

输入示例:
4 5
1 1 0 0 0
1 1 0 0 0
0 0 1 0 0
0 0 0 1 1

输出示例:
1 1 0 0 0
1 1 0 0 0
0 0 0 0 0
0 0 0 1 1

数据范围:
1 <= M, N <= 50

2.2 分析

跟上一题相似,本题思路是先将靠边的陆地标记,然后将未标记的陆地沉没即可。但这里可以不用定义新的visited数组,直接在原图标记即可。

2.3 代码

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int dir[4][2] = {-1, 0, 0, -1, 1, 0, 0, 1}; // 保存四个方向
void dfs(vector<vector<int>>& grid, int x, int y) {
    grid[x][y] = 2;
    for (int i = 0; i < 4; i++) { // 向四个方向遍历
        int nextx = x + dir[i][0];
        int nexty = y + dir[i][1];
        // 超过边界
        if (nextx < 0 || nextx >= grid.size() || nexty < 0 || nexty >= grid[0].size()) continue;
        // 不符合条件,不继续遍历
        if (grid[nextx][nexty] == 0 || grid[nextx][nexty] == 2) continue;//如果下一个位置本身就是2,那说明它被标记过了,不要重复标记
        dfs (grid, nextx, nexty);
    }
    return;
}

int main() {
    int n, m;
    cin >> n >> m;
    vector<vector<int>> grid(n, vector<int>(m, 0));
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        for (int j = 0; j < m; j++) {
            cin >> grid[i][j];
        }
    }

    // 步骤一:
    // 从左侧边,和右侧边 向中间遍历
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        if (grid[i][0] == 1) dfs(grid, i, 0);
        if (grid[i][m - 1] == 1) dfs(grid, i, m - 1);
    }

    // 从上边和下边 向中间遍历
    for (int j = 0; j < m; j++) {
        if (grid[0][j] == 1) dfs(grid, 0, j);
        if (grid[n - 1][j] == 1) dfs(grid, n - 1, j);
    }
    // 沉没孤岛并恢复陆地
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        for (int j = 0; j < m; j++) {
            if (grid[i][j] == 1) grid[i][j] = 0;
            if (grid[i][j] == 2) grid[i][j] = 1;
        }
    }
    for (int i = 0; i < n; i++) {//输出结果数组
        for (int j = 0; j < m; j++) {
            cout << grid[i][j] << " ";
        }
        cout << endl;
    }
}

3. 水流问题

3.1 题目

水流问题
题目描述:
现有一个 N × M 的矩阵,每个单元格包含一个数值,这个数值代表该位置的相对高度。矩阵的左边界和上边界被认为是第一组边界,而矩阵的右边界和下边界被视为第二组边界。
矩阵模拟了一个地形,当雨水落在上面时,水会根据地形的倾斜向低处流动,但只能从较高或等高的地点流向较低或等高并且相邻(上下左右方向)的地点。我们的目标是确定那些单元格,从这些单元格出发的水可以达到第一组边界和第二组边界。

输入描述:
第一行包含两个整数 N 和 M,分别表示矩阵的行数和列数。
后续 N 行,每行包含 M 个整数,表示矩阵中的每个单元格的高度。

输出描述:
输出共有多行,每行输出两个整数,用一个空格隔开,表示可达第一组边界和第二组边界的单元格的坐标,输出顺序任意。

输入示例:
5 5
1 3 1 2 4
1 2 1 3 2
2 4 7 2 1
4 5 6 1 1
1 4 1 2 1

输出示例:
0 4
1 3
2 2
3 0
3 1
3 2
4 0
4 1

图中的蓝色方块上的雨水既能流向第一组边界,也能流向第二组边界。所以最终答案为所有蓝色方块的坐标。

数据范围:
1 <= M, N <= 50

3.2 分析

仍然从两边向中间遍历,找到上左和下右两侧都能到达的高点,就找到了结果。注意这里需要两个visited数组了,一个是上左的,一个是下右的,只有两个数组同时被标记了,才能说明该节点两侧都能到达。
深搜:

int dir[4][2] = {-1, 0, 0, -1, 1, 0, 0, 1};
void dfs(vector<vector<int>>& grid, vector<vector<bool>>& visited, int x, int y) {
    if (visited[x][y]) return;

    visited[x][y] = true;

    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        int nextx = x + dir[i][0];
        int nexty = y + dir[i][1];
        if (nextx < 0 || nextx >= n || nexty < 0 || nexty >= m) continue;
        if (grid[x][y] > grid[nextx][nexty]) continue; // 注意:这里是从低向高遍历

        dfs (grid, visited, nextx, nexty);
    }
    return;
}

遍历逻辑(从四个边缘向中心走):

// 从最上和最下行的节点出发,向高处遍历
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        dfs (grid, firstBorder, i, 0); // 遍历最左列,接触第一组边界
        dfs (grid, secondBorder, i, m - 1); // 遍历最右列,接触第二组边界
    }

    // 从最左和最右列的节点出发,向高处遍历
    for (int j = 0; j < m; j++) {
        dfs (grid, firstBorder, 0, j); // 遍历最上行,接触第一组边界
        dfs (grid, secondBorder, n - 1, j); // 遍历最下行,接触第二组边界
    }

判断逻辑(两个数组都有值才行):

for (int i = 0; i < n; i++) {
        for (int j = 0; j < m; j++) {
            // 如果这个节点,从第一组边界和第二组边界出发都遍历过,就是结果
            if (firstBorder[i][j] && secondBorder[i][j]) cout << i << " " << j << endl;;
        }
    }

3.3 代码

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int n, m;
int dir[4][2] = {-1, 0, 0, -1, 1, 0, 0, 1};
void dfs(vector<vector<int>>& grid, vector<vector<bool>>& visited, int x, int y) {
    if (visited[x][y]) return;

    visited[x][y] = true;

    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        int nextx = x + dir[i][0];
        int nexty = y + dir[i][1];
        if (nextx < 0 || nextx >= n || nexty < 0 || nexty >= m) continue;
        if (grid[x][y] > grid[nextx][nexty]) continue; // 注意:这里是从低向高遍历

        dfs (grid, visited, nextx, nexty);
    }
    return;
}

int main() {

    cin >> n >> m;
    vector<vector<int>> grid(n, vector<int>(m, 0));

    for (int i = 0; i < n; i++) {
        for (int j = 0; j < m; j++) {
            cin >> grid[i][j];
        }
    }
    // 标记从第一组边界上的节点出发,可以遍历的节点
    vector<vector<bool>> firstBorder(n, vector<bool>(m, false));

    // 标记从第一组边界上的节点出发,可以遍历的节点
    vector<vector<bool>> secondBorder(n, vector<bool>(m, false));

    // 从最上和最下行的节点出发,向高处遍历
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        dfs (grid, firstBorder, i, 0); // 遍历最左列,接触第一组边界
        dfs (grid, secondBorder, i, m - 1); // 遍历最右列,接触第二组边界
    }

    // 从最左和最右列的节点出发,向高处遍历
    for (int j = 0; j < m; j++) {
        dfs (grid, firstBorder, 0, j); // 遍历最上行,接触第一组边界
        dfs (grid, secondBorder, n - 1, j); // 遍历最下行,接触第二组边界
    }
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        for (int j = 0; j < m; j++) {
            // 如果这个节点,从第一组边界和第二组边界出发都遍历过,就是结果
            if (firstBorder[i][j] && secondBorder[i][j]) cout << i << " " << j << endl;;
        }
    }


}

4. 建造最大岛屿

4.1 题目

建造最大岛屿
题目描述:
给定一个由 1(陆地)和 0(水)组成的矩阵,你最多可以将矩阵中的一格水变为一块陆地,在执行了此操作之后,矩阵中最大的岛屿面积是多少。
岛屿面积的计算方式为组成岛屿的陆地的总数。岛屿是被水包围,并且通过水平方向或垂直方向上相邻的陆地连接而成的。你可以假设矩阵外均被水包围。

输入描述:
第一行包含两个整数 N, M,表示矩阵的行数和列数。之后 N 行,每行包含 M 个数字,数字为 1 或者 0,表示岛屿的单元格。

输出描述:
输出一个整数,表示最大的岛屿面积。

输入示例:
4 5
1 1 0 0 0
1 1 0 0 0
0 0 1 0 0
0 0 0 1 1

输出示例
6

数据范围:
1 <= M, N <= 50。

4.2 分析

添一块陆地使岛屿面积最大,思路如下。
首先使用深搜或广搜记录所有岛屿面积并为这些岛屿编号,然后遍历地图上所有值为0的节点,寻找它的上下左右是否与岛屿相连,相连则计算所有相连岛屿的总面积与当前节点面积之和。

岛屿面积统计与编号(grid[x][y]和mark用于岛屿编号(1和0已经代表陆地海洋,所以从2开始编号), gridNum[mark]用于记录岛屿面积):

int dir[4][2] = {0, 1, 1, 0, -1, 0, 0, -1}; // 四个方向
void dfs(vector<vector<int>>& grid, vector<vector<bool>>& visited, int x, int y, int mark) {
    if (visited[x][y] || grid[x][y] == 0) return; // 终止条件:访问过的节点 或者 遇到海水
    visited[x][y] = true; // 标记访问过
    grid[x][y] = mark; // 给陆地标记新标签
    count++;
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        int nextx = x + dir[i][0];
        int nexty = y + dir[i][1];
        if (nextx < 0 || nextx >= n || nexty < 0 || nexty >= m) continue;  // 越界了,直接跳过
        dfs(grid, visited, nextx, nexty, mark);
    }
}
int main() {
    vector<vector<bool>> visited(n, vector<bool>(m, false)); // 标记访问过的点
    unordered_map<int ,int> gridNum;
    int mark = 2; // 记录每个岛屿的编号
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        for (int j = 0; j < m; j++) {
            if (grid[i][j] == 0) isAllGrid = false;
            if (!visited[i][j] && grid[i][j] == 1) {
                count = 0;
                dfs(grid, visited, i, j, mark); // 将与其链接的陆地都标记上 true
                gridNum[mark] = count; // 记录每一个岛屿的面积
                mark++; // 记录下一个岛屿编号
            }
        }
    }

遍历所有值为0的节点(即海水),计算其相邻的岛屿面积总和:

 // 以下逻辑是根据添加陆地的位置,计算周边岛屿面积之和
    int result = 0; // 记录最后结果
    unordered_set<int> visitedGrid; // 标记访问过的岛屿
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        for (int j = 0; j < m; j++) {
            count = 1; // 记录连接之后的岛屿数量
            visitedGrid.clear(); // 每次使用时,清空
            if (grid[i][j] == 0) {
                for (int k = 0; k < 4; k++) {
                    int neari = i + dir[k][1]; // 计算相邻坐标
                    int nearj = j + dir[k][0];
                    if (neari < 0 || neari >= n || nearj < 0 || nearj >= m) continue;
                    if (visitedGrid.count(grid[neari][nearj])) continue; // 添加过的岛屿不要重复添加,相邻的两块土地可能来自同一片岛屿
                    // 把相邻四面的岛屿数量加起来
                    count += gridNum[grid[neari][nearj]];
                    visitedGrid.insert(grid[neari][nearj]); // 标记该岛屿已经添加过
                }
            }
            result = max(result, count);
        }
    }

减少计算量(判断全为陆地可以在遍历计算岛屿面积时顺便求出):

bool isAllGrid = true; // 标记是否整个地图都是陆地
if (isAllGrid) {
        cout << n * m << endl; // 如果都是陆地,返回全面积
        return 0; // 结束程序
    }

4.3 代码

#include <iostream>
#include <vector>
#include <unordered_set>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int n, m;
int count;

int dir[4][2] = {0, 1, 1, 0, -1, 0, 0, -1}; // 四个方向
void dfs(vector<vector<int>>& grid, vector<vector<bool>>& visited, int x, int y, int mark) {
    if (visited[x][y] || grid[x][y] == 0) return; // 终止条件:访问过的节点 或者 遇到海水
    visited[x][y] = true; // 标记访问过
    grid[x][y] = mark; // 给陆地标记新标签
    count++;
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        int nextx = x + dir[i][0];
        int nexty = y + dir[i][1];
        if (nextx < 0 || nextx >= n || nexty < 0 || nexty >= m) continue;  // 越界了,直接跳过
        dfs(grid, visited, nextx, nexty, mark);
    }
}

int main() {
    cin >> n >> m;
    vector<vector<int>> grid(n, vector<int>(m, 0));

    for (int i = 0; i < n; i++) {
        for (int j = 0; j < m; j++) {
            cin >> grid[i][j];
        }
    }
    vector<vector<bool>> visited(n, vector<bool>(m, false)); // 标记访问过的点
    unordered_map<int ,int> gridNum;
    int mark = 2; // 记录每个岛屿的编号
    bool isAllGrid = true; // 标记是否整个地图都是陆地
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        for (int j = 0; j < m; j++) {
            if (grid[i][j] == 0) isAllGrid = false;
            if (!visited[i][j] && grid[i][j] == 1) {
                count = 0;
                dfs(grid, visited, i, j, mark); // 将与其链接的陆地都标记上 true
                gridNum[mark] = count; // 记录每一个岛屿的面积
                mark++; // 记录下一个岛屿编号
            }
        }
    }
    if (isAllGrid) {
        cout << n * m << endl; // 如果都是陆地,返回全面积
        return 0; // 结束程序
    }

    // 以下逻辑是根据添加陆地的位置,计算周边岛屿面积之和
    int result = 0; // 记录最后结果
    unordered_set<int> visitedGrid; // 标记访问过的岛屿
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        for (int j = 0; j < m; j++) {
            count = 1; // 记录连接之后的岛屿数量
            visitedGrid.clear(); // 每次使用时,清空
            if (grid[i][j] == 0) {
                for (int k = 0; k < 4; k++) {
                    int neari = i + dir[k][1]; // 计算相邻坐标
                    int nearj = j + dir[k][0];
                    if (neari < 0 || neari >= n || nearj < 0 || nearj >= m) continue;
                    if (visitedGrid.count(grid[neari][nearj])) continue; // 添加过的岛屿不要重复添加
                    // 把相邻四面的岛屿数量加起来
                    count += gridNum[grid[neari][nearj]];
                    visitedGrid.insert(grid[neari][nearj]); // 标记该岛屿已经添加过
                }
            }
            result = max(result, count);
        }
    }
    cout << result << endl;

}

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