C++求解组合数的具体实现

前言

很少写关于具体算法的总结笔记，因为很难把一个算法从头到尾的叙述清晰并且完整，容易造成误解。这次想总结一下组合数的具体实现，原因是最近总是碰见组合数，所以决定来写写，免得每次从头推导公式耽误时间。排列组合经常会作为一个问题解决方案中一部分，通常是求某个问题有多少个解，达到某种状态有多少种操作方式等等。

问题起因

今天下午解一道简单题，难度简直刷新了我的认知，其中需要用到组合数，但这仅仅是解题的一小部分，没办法，从头推导的，简单优化下，写出了如下代码：

int C(int a, int b)
{
    int ans = 1;
    for (int i = a; i > a - b; i--) ans *= i;
    for (int i = b; i > 1; i--) ans /= i;
    return ans;
}

因为时间紧迫，范围也比较小，同时可以控制 a 和 b 的大小，所以临时写下的这段代码可以运行，不然这段代码会出现各种错误的。

组合公式

既然是想做总结，还是从头来看看组合公式，根据原始公式实现算法，并尝试优化它，当熟悉这个套路之后，就可以直接拿来用了，可以节省不少时间，组合公式的常见表示方式如下：

$$C_n^m=\frac{n!}{m!(n-m)!}=C_n^{n-m},(n\ge m\ge 0)$$

这个公式写出来清晰多了，n!表示n的阶乘，计算方式为 n*(n-1)*(n-2)*(n-3)*…*3*2*1， 相信很多人都清楚，我们只要把这个数据公式翻译成代码就可以了：

int C2(int n, int m)
{
    int a = 1, b = 1, c = 1;
    for (int i = n; i >= 1; --i) a *= i;
    for (int i = m; i >= 1; --i) b *= i;
    for (int i = n-m; i >= 1; --i) c *= i;
    return a/(b*c);
}

代码比较简单，依次计算公式中三个数的阶乘，然后再做乘除法就可以了，但是你有没有思考过一个问题，int 类型的整数最大能表示的阶乘是多少？是12!，它的值是 479,001,600，它是 int 表示范围内最大的阶乘数，看来这种实现方式局限性很大，如果 n 大于12就没有办法计算了。

公式变形

实际上根据阶乘的定义，n! 和 (n-m)! 是可以约分的，将这两个式子约分后，公式可以化简为：

$$C_n^m=\frac{n!}{m!(n-m)!}=\frac{n(n-1)(n-2)...(n-m+1))}{m!},(n\ge m\ge 0)$$

公式写成这样之后可以少计算一个阶乘，并且计算的范围也会缩小，代码实现和一开始展示的代码思想是一样的：

int C3(int n, int m)
{
    int a = 1, b = 1;
    for (int i = n; i > n - m; --i) a *= i;
    for (int i = m; i >= 1; i--) b *= i;
    return a/b;
}

这段代码虽然经过了化简，但是当 n 和 m 非常接近的时候，分子还是接近于 n!，所以表示的范围还是比较小。

递推公式

直接给出的公式经过化简后还是受制于计算阶乘的范围，得想个办法看看能不能绕过阶乘计算，方法总是有的，并且前辈们已经给我们整理好了，我们总是站在巨人的肩膀上，下面就是递推公式：

$$\{\begin{array}{l}{C}_n^m=1,(m=0或m=n)\\ C_n^m=C_{n-1}^m+C_{n-1}^{m-1},(n>m>0)\end{array}$$

递归实现

有了上面的分段函数表示，就满足了递归的条件，既有递归调用缩小规模，也有递归出口，这样实现起来很简单，代码如下：

int C4(int n, int m)
{
    if (n == m || m == 0) return 1;
    return C4(n-1, m) + C4(n-1, m-1);
}

这两行代码是不是很秀？不过使用递归常常会出现一问题，那就是相同子问题多次计算，导致效率低下，这个计算组合数的方式同样存在重复计算子问题的缺点，我们以调用C4(5, 3)为例，看看下面的调用关系图：

5,3

4,3

3,3

3,2

2,2

2,1

1,1

1,0

4,2

3,2

3,1

2,2

2,1

2,1

2,0

1,1

1,0

1,1

1,0

从这个图可以清晰看出C4(3, 2) 和 C4(2, 1) 都被计算了多次，当 m 和 n 的数字比较大的时候，会进行更多次的重复计算，严重影响计算的效率，有没有什么办法解决重复计算的问题呢？

备忘递归

解决重复计算的常用方法是利用一个备忘录，将已经计算式子结果存储起来，下次再遇到重复的计算时直接取上次的结果就可以了，我们可以将中间结果简单存储到map中。

假设 n 不超过10000，这比12已经大太多了，我们可以使用 n * 10000 + m 作为map的键，然后将结果存储到map中，每次计算一个式子前先看查询备忘录，看之前有没有计算过，如果计算过直接取结果就可以了，代码简单实现如下：

int C5(int n, int m, map<int, int>& memo)
{
    if (n == m || m == 0) return 1;

    auto itora = memo.find((n-1)*10000+m);
    int a = itora != memo.end() ? itora->second : C4(n-1, m);
    if (itora == memo.end()) memo[(n-1)*10000+m] = a;

    auto itorb = memo.find((n-1)*10000+m-1);
    int b = itorb != memo.end() ? itorb->second : C4(n-1, m-1);
    if (itorb == memo.end()) memo[(n-1)*10000+m-1] = b;

    return a + b;
}

使用 map 作为备忘录可以避免重复计算，这是解决递归效率低下的常用方法，那么有了递推公式不使用递归实现可不可以呢？当然可以了，针对于这个问题，有了递推公式我们还可以使用动态规划（dp）的方式来实现。

动态规划

动态规划常常适用于有重叠子问题和最优子结构性质的问题，试图只解决每个子问题一次，具有天然剪枝的功能。基本思想非常简单，若要解一个给定问题，我们需要解其不同子问题，再根据子问题的解以得出原问题的解。

再回顾一下递推公式：

$$\{\begin{array}{l}{C}_n^m=1,(m=0或m=n)\\ C_n^m=C_{n-1}^m+C_{n-1}^{m-1},(n>m>0)\end{array}$$

翻译成人话就是，当m等于0或者等于n的时候，组合数结果为1，否则组合数结果等于另外两个组合数的和，我们可以采用正向推导的方式，将 n 和 m 逐步扩大，最终得到我们想要的结果，定义dp表格如下：

n\m	(0)	(1)	(2)	(3)	(4)	(5)
(0)	1
(1)	1	1
(2)	1	2	1
(3)	1	3	3	1
(4)	1	4	6	4	<1>
(5)	1	5	10	==>10	<5>	<1>

从表格可以清晰的看出求解 C(5,3) 只需要计算5行3列（从0开始）的数据，其余的值可以不用计算，这样我们就可以对照着表格写代码啦，定义一个dp数组，然后双重for循环就搞定了：

int C6(int n, int m)
{
    if (n == m || m == 0) return 1;

    vector<vector<int>> dp(n+1, vector<int>(m+1));
    for (int i = 0; i <= n; i++)
        for (int j = 0; j <= i && j <= m; j++)
            if (i == j || j == 0) dp[i][j] = 1;
            else dp[i][j] = dp[i-1][j] + dp[i-1][j-1];

    return dp[n][m];
}

至此，我们就采用了非递归的方式求解出了组合数的结果，但是这里的空间有点浪费，每次都要花费O(mn)的空间复杂度，有没有办法降低一点呢？我们可以找找规律进行压缩。

压缩DP

观察之前的动态规划实现的代码，我们发现求解第 i行的数据时只与第 i-1 行有关，所以我们可以考虑将二维数据压缩成一维，还是逐行求解，只不过可以用一维数组来记录求解的结果，优化代码如下：

int C7(int n, int m)
{
    if (n == m || m == 0) return 1;

    vector<int> dp(m+1);
    for (int i = 0; i <= n; i++)
        for (int j = min(i, m); j >= 0; j--)
            if (i == j || j == 0) dp[j] = 1;
            else dp[j] = dp[j] + dp[j-1];

    return dp[m];
}

这样我们就将空间复杂度降低到了O(m)，需要注意的是在计算dp时，因为采用了压缩结构，为防止前面的修改影响后续结果，所以采用里倒序遍历，这是一个易错的点。

其他优化

代码实现到这里，我们的时间复杂度是O(nm)，空间复杂是O(m)，其实还有进一步的优化空间：

• 减小m： 因为题目是求解C(n, m)，但是我们知道组合公式中，C(n, m) 和 C(n, n-m) 相等，所以当 n-m 小于 m 的时候求解C(n, n-m)可以降低时间复杂度和空间复杂度。

• 部分剪枝： 观察函数int C7(int n, int m)，实际上当i为n时，j没必要遍历到0，只需要计算j等于m的情况就可以了，可以提前计算出结果。

• 缩小计算范围： 从上面的剪枝操作得到启示，其实每一行没必要全部计算出来，以 C(5,3) 为例，我们只需要计算出表格中有数字的位置的结果就可以了：

n\m	(0)	(1)	(2)	(3)	(4)	(5)
(0)	1
(1)	1	1
(2)	1	2	1
(3)		3	3	1
(4)			6	4
(5)				==>10

这样来看每行最多需要计算3个值，那么时间复杂度可以降低到 O(3n)，去掉常数，时间复杂度降为 O(n)。

总结

• 计算组合数可以采用逆向递归和正向递推两种方式，递归时注意写好递归出口
• 采用正向递推方法时利用动态规划思想，使用子问题的解拼凑出最终问题的解
• 计算组合数若使用了计算阶乘应注意范围，避免在计算时产生溢出，int最多能表示 12!
• 使用动态规划方法时可以逐步优化空间和时间，这其实就是优化算法的过程，也是提升的过程
• 关于组合数的求解方式，我们可以找到时间复杂度O(n)、空间复杂度O(m)的非递归解法

补充

感谢 @小胡同的诗 同学的补充和提醒，让我再次感受到数学力量的深不可测，原来求解组合数还有这样一个递推公式：

$$\{\begin{array}{l}{C}_n^m=1,(m=0或m=n)\\ C_n^m=\frac{n-m+1}{m}{C}_n^{m-1},(n>m>0)\end{array}$$

这个公式厉害就厉害在它是一个线性的，不存在分叉的情况，也就是说即使递归也不会出现重复的计算，我们简单实现一下。

反向递归

int C8(int n, int m)
{
    if (n == m || m == 0) return 1;
    return C8(n, m-1) * (n-m+1) / m;
}

代码非常紧凑，也不存在重复计算的情况，当然我们也可以使用正向计算的方式来实现。

正向递推

int C9(int n, int m)
{
    if (n == m || m == 0) return 1;

    int ans = 1;
    m = min(m, n-m);

    for (int i = 1; i <= m; i++) ans = ans * (n-i+1) / i;
    return ans;
}

这段代码将时间复杂度降到了O(m)，空间复杂度降到了O(1)，不过特定的场景还是要选择特定的实现，虽然C9函数在时间复杂度和空间复杂度上都优于 C5 函数，但是如果一个实际问题中需要用到多个组合数的时候，C5 这种采用缓存的方式可能会是更好的选择。

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