LeetCode 剑指 Offer II 动态规划(四) 专题总结

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  • LeetCode 剑指 Offer II 动态规划(三) 专题总结

目录

  • 100. 三角形中最小路径之和
  • 101. 分割等和子集
  • 102. 加减的目标值

LeetCode 剑指 Offer II 动态规划(四) 专题总结_第1张图片
后两道都是0-1背包问题

100. 三角形中最小路径之和

题目:

给定一个三角形 triangle ,找出自顶向下的最小路径和。
每一步只能移动到下一行中相邻的结点上。相邻的结点 在这里指的是 下标上一层结点下标 相同或者等于 上一层结点下标 + 1 的两个结点。也就是说,如果正位于当前行的下标 i ,那么下一步可以移动到下一行的下标 i 或 i + 1 。

示例:

输入:triangle = [[2],[3,4],[6,5,7],[4,1,8,3]]
输出:11
解释:如下面简图所示:
2
3 4
6 5 7
4 1 8 3
自顶向下的最小路径和为 11(即,2 + 3 + 5 + 1 = 11)。

提示:

  • 1 <= triangle.length <= 200
  • triangle[0].length == 1
  • triangle[i].length == triangle[i - 1].length + 1
  • -104 <= triangle[i][j] <= 104

思路:

将三角形看成直角三角形,左下角为直角
当前行下标为i,可以由上一行下标i-1或i移动得到最小路径和
动态规划方程:
f[i][j] = min(f[i-1][j-1], f[i-1][j]) + triangle[i][j];
可以优化成一维数组,第二层循环从后往前更新,否则前面值会将上一层值替换掉
一维动态规划:
f[j] = min(f[j-1], f[j]) + triangle[i][j];

class Solution {
public:
    int minimumTotal(vector<vector<int>>& triangle) {
        int n = triangle.size();
        int m = n; // 最底层列数
        vector<int> dp(m, 0);
        for(int i = 0; i < n; i++) {
            for(int j = i; j >= 0; j--) {
                if(j == 0) {
                    dp[0] += triangle[i][j];
                    continue;
                }
                if(j == i) {
                    dp[j] = dp[j-1] + triangle[i][j];
                    continue;
                }
                dp[j] = min(dp[j-1], dp[j]) + triangle[i][j];
            }
        }
        return *min_element(dp.begin(), dp.end());
    }
};

101. 分割等和子集

题目:

给定一个非空的正整数数组 nums ,请判断能否将这些数字分成元素和相等的两部分。

示例:

输入:nums = [1,5,11,5]
输出:true
解释:nums 可以分割成 [1, 5, 5] 和 [11] 。

提示:

  • 1 <= nums.length <= 200
  • 1 <= nums[i] <= 100

思路:

样例
LeetCode 剑指 Offer II 动态规划(四) 专题总结_第2张图片
如样例所示,nums = [1,5,11,5],数组可以分割成 [1, 5, 5] 和 [11],这两个子集各自的数字和都等于整个数组的元素和的一半,因此返回ture。
最骚的是官方这段前言,可以期待一下图灵奖了
本题是经典的「NP 完全问题」,也就是说,如果你发现了该问题的一个多项式算法,那么恭喜你证明出了 P=NP,可以期待一下图灵奖了。
正因如此,我们不应期望该问题有多项式时间复杂度的解法。我们能想到的,例如基于贪心算法的「将数组降序排序后,依次将每个元素添加至当前元素和较小的子集中」之类的方法都是错误的,可以轻松地举出反例。因此,我们必须尝试非多项式时间复杂度的算法,例如时间复杂度与元素大小相关的动态规划。
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0 - 1 背包问题
该问题的本质就是,能否从数组中选出若个数字,使它们的和等于 target = sum / 2,每个数组取一次,所以可以转化成01背包问题
设 f(i, j) 表示能否从前 i 个物品(物品编号为 0 ~ i - 1)中选择若干物品放满容量为 j 的背包。对于 f(i, j) 存在两个选择,第一个选择是将标号为 i - 1 的物品放入背包,如果能从前 i - 1 个物品中选择若干物品放满容量为 j - nums[i - 1] 的背包(即 f(i - 1, j - nums[i - 1]) 为 true),那么 f(i, j) 为 true。另一个选择是不把标号为 i - 1 的物品放入背包,如果能从前 i - 1 个物品中选择若干物品放满容量为 j 的背包(即 f(i - 1, j) 为 true),那么 f(i, j) 为 true。即
在这里插入图片描述
当 j 等于 0 时,即背包容量为空,只要不选择物品就可以,所以 f(i, 0) 为 true。当 i 等于 0 时,即物品数量为 0,那么除了空背包都无法装满,所以当 j 大于 0 时,f(0, j) 为 fasle;

二维数组

class Solution {
public:
    bool canPartition(vector<int>& nums) {
        int n = nums.size();
        int sum = 0, maxNum = 0;
        for(auto& num : nums) {
            sum += num;
            maxNum = max(maxNum, num);
        }
        int target = sum / 2;
        if(sum & 1 || target < maxNum) {
            return false;
        }
        vector<vector<bool>> dp(n, vector<bool>(target+1, false));
        for(int i = 0; i < n; i++) {
            dp[i][0] = true;
        }
        dp[0][nums[0]] = true;
        for (int i = 1; i < n; i++) {
            for (int j = 1; j <= target; j++) {
                if (j >= nums[i]) {
                    dp[i][j] = dp[i - 1][j] | dp[i - 1][j - nums[i]];
                } else {
                    dp[i][j] = dp[i - 1][j];
                }
            }
        }
        return dp[n-1][target];
    }
};

在使用二维矩阵的时候可以发现,当前行其实是在前一行的基础上进行更新的,所以使用一维的数组可以无需复制前一行的数据直接更新,这样会更高效。但是要注意 j 是从大往小遍历,因为这样不会破坏之前的值。

一维数组

class Solution {
public:
    bool canPartition(vector<int>& nums) {
        int n = nums.size();
        int sum = 0, maxNum = 0;
        for(auto& num : nums) {
            sum += num;
            maxNum = max(maxNum, num);
        }
        int target = sum / 2;
        if(sum & 1 || target < maxNum) {
            return false;
        }
        vector<bool> dp(target, false);
        dp[0] = true;
        for (int i = 1; i < n; i++) {
            for (int j = target; j >= nums[i]; j--) {
                dp[j] = dp[j] | dp[j - nums[i]];
            }
        }
        return dp[target];
    }
};

102. 加减的目标值

题目:

给定一个正整数数组 nums 和一个整数 target
向数组中的每个整数前添加 ‘+’ 或 ‘-’ ,然后串联起所有整数,可以构造一个 表达式

  • 例如,nums = [2, 1] ,可以在 2 之前添加 ‘+’ ,在 1 之前添加 ‘-’ ,然后串联起来得到表达式 “+2-1” 。

返回可以通过上述方法构造的、运算结果等于 target 的不同 表达式 的数目。

示例:

输入:nums = [1,1,1,1,1], target = 3
输出:5
解释:一共有 5 种方法让最终目标和为 3 。
-1 + 1 + 1 + 1 + 1 = 3
+1 - 1 + 1 + 1 + 1 = 3
+1 + 1 - 1 + 1 + 1 = 3
+1 + 1 + 1 - 1 + 1 = 3
+1 + 1 + 1 + 1 - 1 = 3

提示:

  • 1 <= nums.length <= 20
  • 0 <= nums[i] <= 1000
  • 0 <= sum(nums[i]) <= 1000
  • -1000 <= target <= 1000

思路:

0 - 1 背包问题
题目中明确数组内所有的数字都为正数,如果把所有取正号的数字之和记为 p,剩下的取负号的数字之和记为 q,若存在符合题意的组合则 p - q = target,同时记所有的数字之和为 p + q = sum。将以上两式相加得 p = (target + sum) / 2。因此,这个问题就等价于计算从数组中选出和为 (target + sum) / 2 的数字的方法的数目。
设 f(i, j) 为在数组的前 i 个数字中选出若干个数字使其和等于 j 的方法的数目。这个状态转移方程面试题 101 非常相似。状态转移方程为
LeetCode 剑指 Offer II 动态规划(四) 专题总结_第3张图片因为 0-1 背包问题很适合使用一维数组,所以直接给出一维数组的完整程序。

class Solution {
public:
    int findTargetSumWays(vector<int>& nums, int target) {
        int sum = 0;
        for (auto& n : nums) {
            sum += n;
        }
        if ((target + sum) & 1 != 0 || sum < target) {
            return 0;
        }
         
        vector<int> dp((target + sum) / 2 + 1, 0);
        dp[0] = 1;
        for (auto& n : nums) {
            for (int j = dp.size() - 1; j >= n; --j) {
                dp[j] += dp[j - n];
            }
        }
        return dp.back();
    }
};

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