Swift - LeetCode - 4的幂

题目

给定一个整数,写一个函数来判断它是否是 4 的幂次方。如果是,返回 true;否则,返回 false

整数 n4 的幂次方需满足:存在整数 x 使得 n == 4x

示例 1:

  • 输入: n = 16
  • 输出: true

示例 2:

  • 输入: n = 5
  • 输出: false

示例 3:

  • 输入: n = 1
  • 输出: true

提示:

  • -231 <= n <= 231 - 1

前言

如果 n4 的幂,那么 n 一定也是 2 的幂。因此我们可以首先判断 n 是否是 2 的幂,在此基础上再判断 n 是否是 4 的幂。

判断 n 是否是 2 的幂可以参考 2的幂的题解。由于这一步的方法有很多种,在下面的题解中,我们使用

\texttt{n & (n - 1)}

这一方法进行判断。

方法一:二进制表示中 1 的位置

思路及解法

如果 n4 的幂,那么 n 的二进制表示中有且仅有一个 1,并且这个 1 出现在从低位开始的第偶数个二进制位上(这是因为这个 1 后面必须有偶数个 0)。这里我们规定最低位为第 0 位,例如 n=16 时,n 的二进制表示为

(10000)_2

唯一的 1 出现在第 4 个二进制位上,因此 n4 的幂。

由于题目保证了 n 是一个 32 位的有符号整数,因此我们可以构造一个整数 \textit{mask},它的所有偶数二进制位都是 0,所有奇数二进制位都是 1。这样一来,我们将 n\textit{mask} 进行按位与运算,如果结果为 0,说明 n 二进制表示中的 1 出现在偶数的位置,否则说明其出现在奇数的位置。

根据上面的思路,\textit{mask} 的二进制表示为:

\textit{mask} = (10101010101010101010101010101010)_2

我们也可以将其表示成 16 进制的形式,使其更加美观:

\textit{mask} = (\text{AAAAAAAA})_{16}

代码

class Solution {
    func isPowerOfFour(_ n: Int) -> Bool {
        return n > 0 && n & (n - 1) == 0 && n % 3 == 1
    }
}

复杂度分析

  • 时间复杂度:O(1)

  • 空间复杂度:O(1)

方法二:取模性质

思路及解法

如果 n4 的幂,那么它可以表示成 4^x 的形式,我们可以发现它除以 3 的余数一定为 1,即:

4^x \equiv (3+1)^x \equiv 1^x \equiv 1 \quad (\bmod ~3)

如果 n2 的幂却不是 4 的幂,那么它可以表示成 4^x \times 2 的形式,此时它除以 3 的余数一定为 2

因此我们可以通过 n 除以 3 的余数是否为 1 来判断 n 是否是 4 的幂。

代码

class Solution {
    func isPowerOfFour(_ n: Int) -> Bool {
        return n > 0 && n & (n - 1) == 0 && n & 0xaaaaaaaa == 0
    }
}

复杂度分析

  • 时间复杂度:O(1)

  • 空间复杂度:O(1)

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