70. Climbing Stairs

输入:台阶数量n
输出:有多少种走法
规则:每次可以上一个台阶或者两个台阶
分析:想明白一件事情。如果现在在第k个台阶,那下一步可以到达第k+1个台阶,或者第k+2个台阶。换句话说想要到达第k个台阶,可以通过第k-1或者第k-2个台阶达到。所以第k个台阶的走法=第k-1个台阶的走法+第k-2个台阶的走法。

再用比较小的数检测一下对不对。
如果有1个台阶,有1种走法:1。
如果有2个台阶,有2种走法:1,1;2。
如果有3个台阶,可以从第2个台阶,再走1个到达3,也可以从第1个台阶,再走2个到达3。所以nums[3]=nums[2]+nums[1]=2+1=3。实际上也是:1,1,1;2,1;1,2;。
如果有4个台阶,可以从第3个台阶,再走1个到达4,也可以从第2个台阶,再走2个到达4。所以nums[4]=nums[3]+nums[2]=3+2=5。实际走法:1,1,1,1;2,1,1;1,2,1(从第3个台阶 )
1,1,2;2,2(从第2个台阶 )
验证正确。可以编码了。

以下代码从回溯、备忘录模式、动态规划、节省空间版的动态规划。不做详细介绍,直接看代码。

/**
     * 暴力
     * @param n
     * @return
     */
    public int climbStairs(int n) {
        if(n==0) return 0;
        if(n==1) return 1;
        if(n==2) return 2;
        return climbStairs(n-1)+climbStairs(n-2);
    }


    /**
     * 备忘录模式
     * @param n
     * @return
     */
    public int climbStairsV2(int n) {
        int[] memo = new int[n+1];
        climbStairs(n,memo);
        return memo[n];
    }

    private int climbStairs(int n,int[] memo){
        if(n==0) return 0;
        if(memo[n]>0) return memo[n];
        if(n<=2){
            memo[n]=n;
            return memo[n];
        }
        memo[n] = climbStairs(n-1,memo)+climbStairs(n-2,memo);
        return memo[n];
    }

    /**
     * 动态规划:自底向上
     * @param n
     * @return
     */
    public int climbStairsV3(int n) {
        if(n==1) return 1;
        int[] dp = new int[n+1];
        dp[1]=1;
        dp[2]=2;
        for(int i=3;i<=n;i++){
            dp[i]=dp[i-1]+dp[i-2];
        }
        return dp[n];
    }

    /**
     * 节省内存的动态规划,但实际LeetCode反馈出来的内存并不少
     * @param n
     * @return
     */
    public int climbStairsV4(int n) {
        if(n==1) return 1;
        int num1 =1;
        int num2 =2;
        int num3=0;
        for(int i=3;i<=n;i++){
            num3=num1+num2;
            num1=num2;
            num2=num3;
        }
        return num2;
    }

还有第五种解法,利用矩阵乘法。先看菲波那切数列中:0,1,1,2,5,8…
我们利用以下公式:
[ F n F n − 1 F n − 1 F n − 2 ] = [ 1 1 1 0 ] n − 1 \left[ \begin{matrix} F_{n} & F_{n-1} \\ F_{n-1} & F_{n-2} \end{matrix} \right] =\left[ \begin{matrix} 1 & 1 \\ 1 & 0 \end{matrix} \right] ^{n-1} [FnFn1Fn1Fn2]=[1110]n1
可以求得第n个斐波那契数列的值。使用数学归纳法证明。
我们当前题目与斐波那契数列的不同是起始值不同,我们的序列是:0,1,2,3,5,8,13…所以我们求第n个值使用的公式是:

[ F n F n − 1 F n − 1 F n − 2 ] = [ 2 1 1 0 ] ∗ [ 1 1 1 0 ] n − 2 ( n > 1 ) \left[ \begin{matrix} F_{n} & F_{n-1} \\ F_{n-1} & F_{n-2} \end{matrix} \right] =\left[ \begin{matrix} 2 & 1 \\ 1 & 0 \end{matrix} \right]*\left[ \begin{matrix} 1 & 1 \\ 1 & 0 \end{matrix} \right] ^{n-2}(n>1) [FnFn1Fn1Fn2]=[2110][1110]n2(n>1)

我们看到两个公式不一样的地方是初始化值不同。

public int climbStairsV5(int n) {
        if(n<=2) return n;
        int[][] q = {{1,1},{1,0}};
        int[][] p = {{2,1},{1,0}};
        int[][] res = pow(q,n-2);
        res = multiply(p,res);
        return res[0][0];
    }


    private int[][] pow(int[][] a,int n){
        if(n<=1){
            return a;
        }
        a = pow(a,n/2);
        a = multiply(a,a);
        if(n%2!=0){
            int[][] ret = {{1,1},{1,0}};
            a = multiply(ret,a);
        }
        return a;
    }
    private int[][] multiply(int[][] a, int[][] b) {
        int[][] c = new int[2][2];
        c[0][0] = a[0][0]*b[0][0]+a[0][1]*b[1][0];
        c[0][1] = a[0][0]*b[0][1] + a[0][1]*b[1][1];
        c[1][0] = a[1][0] * b[0][0]+a[1][1]*b[1][0];
        c[1][1] = a[1][0]*b[0][1]+a[1][1]*b[1][1];
        return c;
    }

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