一个N位字符串s,只包含0和1的,要求每个0左边都是1才达标,请问01组合出s有多少种组合方法

一个N位字符串s,只包含0和1的,要求每个0左边都是1才达标,请问01组合出s有多少种组合方法?

本题是2022届毕业生秋招一个银行大招聘笔试题
有了斐波那契数列,其实经常又大厂会改编一些类似斐波那契数列的题目来考,因此,这类题目咱们要总结和梳理一下,以防万一
提示:矩阵A的p次幂的快速乘法,是重要的优化算法基础知识

之前的基础:咱们求过数字最快速乘幂的方法(数字a的p次幂),
(1)最快乘法:普通数字a的p次幂怎么求速度最快,不用Math.pow(a,p)哦
(2)咱们求过矩阵最快速乘幂的方法(矩阵A的p次幂),
最快矩阵乘法:矩阵A的p次幂怎么求速度最快,Math根本没有求矩阵的幂次函数

这俩知识点,你必须看懂,否则这个文章你看不懂!
这俩知识点,你必须看懂,否则这个文章你看不懂!
这俩知识点,你必须看懂,否则这个文章你看不懂!

在笔试中,建议还是用暴力递归改记忆化搜索算法,或者改动态规划填表的做法!
笔试的话,不建议用快速矩阵乘法来求斐波那契数列类似的问题!

但是在,面试的过程中,先可以用暴力递归解决类似的问题,改动态规划
然后,咱们可以秀一下自己的优化实力与技能!即完全可以用矩阵的乘幂来求类似的斐波那契数列f(n)题
下列文章是重要的关于斐波那契数列的题目:
(3)斐波那契数列:暴力递归改动态规划
(4)用矩阵乘幂的方法,求斐波那契数列f(n)=f(n-1)+f(n-2),不用递归求,速度非常非常快
(5)类似斐波那契数列:奶牛生牛问题:奶牛生下来3年可以成熟生小牛,请问第N年一共多少牛
(6)人或者青蛙走台阶,每次它可以一步走1阶,或2阶,请问总共n层能有多少种走法


文章目录

  • 一个N位字符串s,只包含0和1的,要求每个0左边都是1才达标,请问01组合出s有多少种组合方法?
    • @[TOC](文章目录)
  • 题目
  • 一、审题
  • 二、解题
  • 三、暴力递归,关键是上面的公式,撸代码不是问题
  • 四、笔试AC解:改记忆化搜索方案,让dp表跟随暴力递归
  • 五、面试精华解:改精细化动态规划填写dp表,整转移方程
  • 面试高超优化技能:矩阵A的p次幂求斐波那契数列
  • 总结

题目

一个N位字符串s,只包含0和1的,要求每个0左边都是1才达标,请问01组合出s有多少种组合方法?


一、审题

示例:
(1)n=1;0, 1,达标的就是1个,组合方法数:1
(2)n=2;00,01,10,11,达标的就是2个,组合方法数:2
(3)n=2;000,001,010,011,100,101,110,111 ,达标的就是3个,组合方法数:3
(4)n=2;0000,001,0010,0011,0100,0101,0110,0111 ,1000,1001,1010,1011,1100,1101,1110,1111达标的就是5个,组合方法数:5
……


二、解题

!!!这个题目,完全和走阶梯那题目一模一样!!!
(6)人或者青蛙走台阶,每次它可以一步走1阶,或2阶,请问总共n层能有多少种走法

你可能根据案例都已经推出来了递归关系式
观察可以知道,实际上,f(n)=f(n-1)+f(n-2)
初始化条件f(1)=1,f(2)=2;

这跟斐波那契数列很相似,只不过斐波那契数列的始化条件f(1)=1,f(2)=1;

咱们还可以这么推:
事情是这样的:

如果n位,咱们需要在n那个位置,放0或者1?
一个N位字符串s,只包含0和1的,要求每个0左边都是1才达标,请问01组合出s有多少种组合方法_第1张图片
(1)放1的话,只要看f(n-1)方法数就行,因为放的方法,就是f(n-1),只不过n处咱们放1即可,都是同一个方法下的。
(2)放0的话,那n-1位置必须放1,没得选,这样合格,所以只要看f(n-2)方法数就行
上面两个方案加起来就是n的方法总数:
所以:
f(n)=f(n-1)+f(n-2)
初始化条件f(1)=1,f(2)=2;

是不是超级easy?

剩下的撸代码的事情,完全和青蛙走台阶一模一样,没有任何区别!——所以上面的基础知识一定要看。

三、暴力递归,关键是上面的公式,撸代码不是问题

对于本题,你还要注意,其实
f(n)=f(n-1)+f(n-2),初始化条件f(1)=1,f(2)=2;
f即:1 2 3 5 8……

这跟斐波那契数列很相似,feiBo(n)=feiBo(n-1)+feiBo(n-2),只不过斐波那契数列的始化条件f(1)=1,f(2)=1;
feiBo即:1 1 2 3 5 8……

当年咱们求过斐波那契数列的代码,你完全可以用!

public static int feiBo(int n){
        if (n == 1 || n == 2) return 1;
        return feiBo(n - 1) + feiBo(n - 2);
    }

只不过是当n=2开始,f(n)=feiBo(n+1)
n=2时,而feiBo(2)=1,但是f(2)=2了,实际就是f(n)=feiBo(n+1)=feiBo(3)=2
这非常简单吧……

public static int qingWa(int n){
        if (n == 1) return 1;
        return feiBo(n + 1);
    }

当然,每次遇到不同的递归,你完全可以重头再写暴力递归代码,非常非常简单的

咱们手撕一下:

//复习青蛙台阶f
    public static int f(int n){
        if (n == 1) return 1;
        if (n == 2) return 2;

        return f(n - 1) + f(n - 2);
    }

    public static void test2(){
        System.out.println(qingWa(4));
        System.out.println(f(4));
    }

    public static void main(String[] args){
        test2();
    }

问题不大:

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四、笔试AC解:改记忆化搜索方案,让dp表跟随暴力递归

既然一个变量n,那就是一维表格dp,长n+1,i从0–n取值
一个N位字符串s,只包含0和1的,要求每个0左边都是1才达标,请问01组合出s有多少种组合方法_第2张图片
咱们可以搞一个dp表伴随f
dp就是傻缓存,在笔试时就这能AC,速度很快的。

手撕代码问题不大:

//复习青蛙台阶fDP
    public static int fDP(int n, int[] dp){
        if (dp[n] != -1) return dp[n];

        if (n == 1) {
            dp[n] = 1;
            return dp[n];
        }
        if (n == 2) {
            dp[n] = 2;
            return dp[n];
        }

        dp[n] = fDP(n - 1, dp) + fDP(n - 2, dp);

        return dp[n];
    }
    public static int jumpSteps(int n){
        int[] dp = new int[n + 1];
        for (int i = 0; i < n + 1; i++) {
            dp[i] = -1;//初始化
        }
        return fDP(n, dp);
    }

    public static void test2(){
        System.out.println(qingWa(4));
        System.out.println(f(4));
        System.out.println(jumpSteps(4));
    }

    public static void main(String[] args){
        test2();
    }
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五、面试精华解:改精细化动态规划填写dp表,整转移方程

笔试可以了,但是我们面试还需要直接从暴力递归的代码,推导转移方程,直接填表dp,返回dp[n]【下面那个五角星位置】一个N位字符串s,只包含0和1的,要求每个0左边都是1才达标,请问01组合出s有多少种组合方法_第3张图片
填表初始化,左边1 2两个格子
然后从左往右填写即可

超级简单

public static int jumpStepsDP(int n){
        if (n < 1) return 0;

        int[] dp = new int[n + 1];
        dp[1] = 1;
        dp[2] = 2;//暴力递归怎么写,咱就怎么改
        for (int i = 3; i < n + 1; i++) {
            dp[i] = dp[i - 1] + dp[i - 2];//暴力递归直接改f为dp来的
        }

        return dp[n];
    }

    public static void test2(){
        System.out.println(qingWa(4));
        System.out.println(f(4));
        System.out.println(jumpSteps(4));
        System.out.println(jumpStepsDP(4));
    }

    public static void main(String[] args){
        test2();
    }
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面试高超优化技能:矩阵A的p次幂求斐波那契数列

之前,咱们学过,斐波那契数列的快速矩阵幂次求法
(4)用矩阵乘幂的方法,求斐波那契数列f(n)=f(n-1)+f(n-2),不用递归求,速度非常非常快

咱必须要记住的d矩阵是:【可别记错了!】
一个N位字符串s,只包含0和1的,要求每个0左边都是1才达标,请问01组合出s有多少种组合方法_第4张图片

类似斐波那契数列的通用矩阵乘积形式:
一个N位字符串s,只包含0和1的,要求每个0左边都是1才达标,请问01组合出s有多少种组合方法_第5张图片
故当d的n-2次幂求出来之后,完全可以这么做
一个N位字符串s,只包含0和1的,要求每个0左边都是1才达标,请问01组合出s有多少种组合方法_第6张图片
那么关键就在矩阵的乘积AB的代码A的p次幂的代码,你要记住,数量掌握

//C=A×B咋求--Math中没有的,需要自己整
    public static int[][] matrixMul(int[][] A, int[][] B){
        int m = A.length;
        int b = B[0].length;
        int[][] C = new int[m][b];//A的一行,×B的一列,求和,放在C的m行,b列

        for (int i = 0; i < m; i++) {
            for (int j = 0; j < b; j++) {
                //A的一行,×B的一列,求和,放在C的m行,b列
                int ans = 0;
                for (int k = 0; k < A[0].length; k++) {//是A的列哦
                    ans += A[i][k] * B[k][j];
                }
                C[i][j] = ans;
            }
        }

        return C;
    }

    //矩阵A的p次幂--这个要熟练掌握,二进制幂次求法
    public static int[][] powMatrixAitsPCiMi(int[][] A, int p){
        int m = A.length;
        int n = A[0].length;
        
        //初始化,a=I,t=A的1次方
        int[][] a = new int[m][n];
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            a[i][i] = 1;//单位阵
        }
        int[][] tmp = A;//基数矩阵

        //(1)p的0位x=1:a=a×t=1×A的1次方=A的1次方,t=t×t=A的2次方
        //(2)p的1位x=1:a=a×t=A的1次方=A的1次方×A的2次方,t=t×t=A的4次方
        //(3)p的2位x=0:~~a=a×t=A的1次方=A的1次方×A的2次方~~ ,t=t×t=A的8次方
        //(4)p的3位x=1:a=a×t=A的1次方=A的1次方×A的2次方×A的8次方,t=t×t=A的16次方
        //(5)p的4位x=0:~~a=a×t=A的1次方=A的1次方×A的2次方×A的8次方~~ ,t=t×t=A的32次方
        //(6)p的5位x=0:~~a=a×t=A的1次方=A的1次方×A的2次方×A的8次方~~ ,t=t×t=A的64次方
        //(7)p的6位x=1:a=a×t=A的1次方=A的1次方×A的2次方×A的8次方×A的64次方 ,t=t×t=A的128次方
        //此时a已经是A的p=75次方了
        //看p的x位是否为1
        for(; p != 0; p >>= 1){//每次结束p往右移动1位,p=0结束
            if ((p & 1) != 0){
                //p最右那个x位=1,需要雷×结果
                a = matrixMul(a, tmp);//a=a*t
            }
            //每次t都需要倍次幂
            tmp = matrixMul(tmp, tmp);//t=t*t
        }

        return a;//返回a
    }

好,现在就可以求阶梯有多少走法了?

//阶梯与斐波那契数列的关系
    public static int fMatrixMiCi(int n){
        if (n == 1) return 1;
        if (n == 2) return 2;

        int[][] d = {
                {1,1},
                {1,0}
        };//1110的d,千万别记错了
        d = matrixPower(d, n - 2);//d的n-2次幂

        //fn fn-1 = f2 f1 * d的n-2次幂
        //fn = 2 1 8 d的n-2次幂

        return 2 * d[0][0] + d[1][0];//画个图看矩阵就知道了,很简单。
    }

    public static void test2(){
        System.out.println(qingWa(4));
        System.out.println(f(4));
        System.out.println(jumpSteps(4));
        System.out.println(jumpStepsDP(4));
        System.out.println(fMatrixMiCi(4));
    }

    public static void main(String[] args){
        test2();
    }
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总结

提示:重要经验:

1)类似斐波那契数列的递推公式,可以通过观察得到,也可以通过推理得到,反正不会太难的,要找到这个规律。
2)矩阵幂次的求法,可以在笔试秀技,但是笔试就踏实写傻缓存dp跟随暴力递归的代码就行。
3)笔试求AC,可以不考虑空间复杂度,但是面试既要考虑时间复杂度最优,也要考虑空间复杂度最优。

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