动态规划解题方法

代码如下:

class Solution {

    public int minimumTotal(List> triangle) {

      // 创建表格

        int[][] dp = new int[triangle.size()][triangle.size()];

        dp[0][0] = triangle.get(0).get(0);

      // 动态规划的方程式

        for (int i = 1; i < dp.length; i++) {

            for (int j = 0; j <= i; j++) {

                int curr = triangle.get(i).get(j);

                if (j == 0) {

                    dp[i][j] = dp[i-1][j] + curr;

                } else if (j == i) {

                    dp[i][j] = dp[i-1][j-1] + curr;

                } else {

                    dp[i][j] = Math.min(dp[i-1][j-1], dp[i-1][j]) + curr;

                }

            }

        }

        int res = dp[triangle.size()-1][0];

        for (int j = 1; j < triangle.size(); j++) {

            res = Math.min(res, dp[triangle.size()-1][j]);

        }

        return res;

    }

}

下面来分析这个问题的时间复杂度以及空间复杂度,一般来说空间复杂度是就是 DP 表格的大小。

在这道问题中是 O(n^2),而对于时间复杂度来说,就是整个 dp 的遍历次数,而在这个问题中我们只进行了一次遍历,也即一个矩阵的遍历,所以是O(n^2)。

而如果想要优化到 O(n),我们需要怎么做呢?

实际上这个就涉及到了一种状态压缩的方法,也即压缩这个状态表。

那么怎么去压缩呢?

这个问题比较简单,因为dp[i][j]仅仅与上一层的状态有关,所以说与前两层的是没有任何关系的,因此我们不必存储这些无关的状态。

实际上最简单的状态压缩就是保留好前两个状态即可,例如在计算第四行的时候,保留第三行以及第二行的状态表,然后交替的进行更新就可以啦。

class Solution {

    public int minimumTotal(List> triangle) {

      // 只保留最近 2 行

        int[][] dp = new int[2][triangle.size()];

        dp[0][0] = triangle.get(0).get(0);

        for (int i = 1; i < triangle.size(); i++) {

            int row = i % 2;

            int prevRow = (i-1) % 2;

            for (int j = 0; j <= i; j++) {

                if (j == 0) {

                    dp[row][j] = dp[prevRow][j] + triangle.get(i).get(j);

                } else if (j == i) {

                    dp[row][j] = dp[prevRow][j-1] + triangle.get(i).get(j);

                } else {

                    dp[row][j] = Math.min(dp[prevRow][j-1], dp[prevRow][j]) + triangle.get(i).get(j);

                }

            }

        }

        int res = dp[(triangle.size() - 1) % 2][0];

        for (int j = 1; j < triangle.size(); j++) {

            res = Math.min(res, dp[(triangle.size() - 1) % 2][j]);

        }

        return res;

    }

}

这个的空间复杂度是 O(2n),能不能压缩成严格意义上的O(n)呢?

那么再往后是否还能够进行状态的压缩呢?

答案是可以的,我们可以再想一种方程然后达到最优的空间复杂度的目标。

当我们在计算位置 [i][j] 时,f[j+1] 到 f[i] 已经是第 i 行的值,而 f[0] 到 f[j] 仍然是第 i-1 行的值。

此时我们直接通过 f[j] = min(f[j−1], f[j]) + c[i][j]来计算,但是这个时候我们需要j 是倒着遍历的,因为这样才不会影响之前记录下的状态。

如果从 1 开始,那么计算 2 的时候就会用到新的 1 的数值而不是上一层 1 的数值。

代码如下:

class Solution {

    public int minimumTotal(List> triangle) {

        int[] dp = new int[triangle.size()];

        dp[0] = triangle.get(0).get(0);

        for (int i = 1; i < triangle.size(); i++) {

            dp[i] = dp[i-1] + triangle.get(i).get(i);

            for (int j = i-1; j > 0; j--) {

                dp[j] = Math.min(dp[j-1], dp[j]) + triangle.get(i).get(j);

            }

            dp[0] += triangle.get(i).get(0);

        }

        int res = dp[0];

        for (int j = 1; j < triangle.size(); j++) {

            res = Math.min(res, dp[j]);

        }

        return res;

    }

}

方法 2

方法 1 有点绕,但如果自下向上来理解,就会变得很简单,这个方法也叫 bottom-up,方法 1 则是 top-down。

从结果出发,这个问题是一个发散三角树的问题,从最后一行出发,然后每一行每一行的进行递推,那么第一行就是最终的结果了。

举个最简单的例子:

1

1 2

如果从最底下往上出发,实际上找最小值方法的规律很容易找到,那就是在第二行[1, 2]里面选择一个就可以了,因为他们两个都要走到根节点。

也就是在下一行的两个数里面取个小的就行了,那么结果就是第一行的数值。

我们先用二维的转移矩阵来解释这个问题,用这种方法也不需要考虑方法 1 里面的边界条件了:

dp[i][j] = min(dp[i+1][j], dp[i+1][j+1]) + c[i][j]

状态转换图如下所示:

class Solution {

    public int minimumTotal(List> triangle) {

        int[][] dp = new int[triangle.size()][triangle.size()];

        // 创建 DP 空间

        for (int i = 0; i < triangle.size(); i++) {

            dp[triangle.size() - 1][i] = triangle.get(triangle.size() - 1).get(i);

        }

        for (int i = triangle.size() - 2; i >= 0; i--) {

            for (int j = 0; j < triangle.get(i).size(); j++) {

                dp[i][j] = Math.min(dp[i+1][j], dp[i+1][j+1]) + triangle.get(i).get(j);

            }

        }

        return dp[0][0];

    }

}

那么在进行状态压缩的时候,我们该怎么去做呢?

实际上就是只用一个状态表来表示所有的。

因为只是和上一个状态相关,所以说可以表示成如下的形式:

dp[j] = min(dp[j], dp[j + 1]) + triangle[i][j],

我们只用 j 来代表当前的状态,然后最终输出dp[0]即可。

class Solution {

    public int minimumTotal(List> triangle) {

        int[] dp = new int[triangle.size()];

        // 创建 DP 空间

        for (int i = 0; i < triangle.size(); i++) {

            dp[i] = triangle.get(triangle.size() - 1).get(i);

        }

        for (int i = triangle.size() - 2; i >= 0; i--) {

            for (int j = 0; j <= i; j++) {

                dp[j] = Math.min(dp[j], dp[j+1]) + triangle.get(i).get(j);

            }

        }

        return dp[0];

    }

}

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