秋招算法备战第38天 | 动态规划理论基础、509. 斐波那契数、70. 爬楼梯、746. 使用最小花费爬楼梯

动态规划理论基础

什么是动态规划

动态规划,英文:Dynamic Programming,简称DP,如果某一问题有很多重叠子问题,使用动态规划是最有效的。

所以动态规划中每一个状态一定是由上一个状态推导出来的,这一点就区分于贪心,贪心没有状态推导,而是从局部直接选最优的,贪心解决不了动态规划的问题。

大家知道动规是由前一个状态推导出来的,而贪心是局部直接选最优的,对于刷题来说就够用了。

动态规划的解题步骤

动态规划五部曲

  1. 确定dp数组(dp table)以及下标的含义
  2. 确定递推公式
  3. dp数组如何初始化
  4. 确定遍历顺序
  5. 举例推导dp数组

动态规划应该如何debug

找问题的最好方式就是把dp数组打印出来,看看究竟是不是按照自己思路推导的!

509. 斐波那契数 - 力扣(LeetCode)

主要练习如何使用动态规划五部曲解题

class Solution:
    def fib(self, n: int) -> int:
        if n == 0:
            return 0
        elif n == 1:
            return 1

        dp = [0]*(n+1)
        dp[0] = 0
        dp[1] = 1

        for i in range(2, n+1):
            dp[i] = dp[i-1]+dp[i-2]
        
        return dp[-1]

注意,这题使用递归的话,时间复杂度是O(2^n),因为结果无法复用

70. 爬楼梯 - 力扣(LeetCode)

其实本质就是菲波那切数列,每步会有一步到和两步到的方法,递推公式为dp[i]=dp[i-1]+dp[i-2]

class Solution:
    def climbStairs(self, n: int) -> int:
        if n == 1:
            return 1

        dp = [0]*n
        dp[0] = 1
        dp[1] = 2

        for i in range(2, n):
            dp[i] = dp[i-1] + dp[i-2]
        
        return dp[-1]

更优化的方法可以降低空间复杂度:

def climbStairs(n):
    if n == 1:
        return 1
    if n == 2:
        return 2
    prev1 = 1
    prev2 = 2
    for i in range(3, n + 1):
        current = prev1 + prev2
        prev1 = prev2
        prev2 = current
    return prev2

通过使用变量而不是数组,我们将空间复杂度降低到了 O(1)。

746. 使用最小花费爬楼梯 - 力扣(LeetCode)

  1. dp[i]代表到达下标为i的台阶最少需要花费多少钱
  2. 递推公式为dp[i] = min(dp[i-1]+cost[i-1], dp[i-2]+cost[i-2])
  3. 初始化为0
  4. 遍历顺序为从左往右
  5. 打印dp检查
class Solution:
    def minCostClimbingStairs(self, cost: List[int]) -> int:
        n = len(cost)
        
        dp = [0]*(n+1)

        for i in range(2, n+1):
            dp[i] = min(dp[i-1]+cost[i-1], dp[i-2]+cost[i-2])
        
        return dp[-1]

可以在此基础上优化空间复杂度,代码如下

class Solution:
    def minCostClimbingStairs(self, cost: List[int]) -> int:
        dp0 = 0  # 初始值,表示从起点开始不需要花费体力
        dp1 = 0  # 初始值,表示经过第一步不需要花费体力
        
        for i in range(2, len(cost) + 1):
            # 在第i步,可以选择从前一步(i-1)花费体力到达当前步,或者从前两步(i-2)花费体力到达当前步
            # 选择其中花费体力较小的路径,加上当前步的花费,得到当前步的最小花费
            dpi = min(dp1 + cost[i - 1], dp0 + cost[i - 2])
            
            dp0 = dp1  # 更新dp0为前一步的值,即上一次循环中的dp1
            dp1 = dpi  # 更新dp1为当前步的最小花费
        
        return dp1  # 返回到达楼顶的最小花费

总结

今天的题目都还比较基础,关键在于要按照动态规划五部曲的思路分析,在方法论的指导下按照步骤解题

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