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2023-08-17 05:12:16 +08:00
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commit 5884de5246
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@@ -3435,7 +3435,7 @@
</div>
<p>如下图所示,若第 <span class="arithmatex">\(1\)</span> , <span class="arithmatex">\(2\)</span> , <span class="arithmatex">\(3\)</span> 阶的代价分别为 <span class="arithmatex">\(1\)</span> , <span class="arithmatex">\(10\)</span> , <span class="arithmatex">\(1\)</span> ,则从地面爬到第 <span class="arithmatex">\(3\)</span> 阶的最小代价为 <span class="arithmatex">\(2\)</span></p>
<p><img alt="爬到第 3 阶的最小代价" src="../dp_problem_features.assets/min_cost_cs_example.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 爬到第 3 阶的最小代价 </p>
<p align="center"> 图:爬到第 3 阶的最小代价 </p>
<p><span class="arithmatex">\(dp[i]\)</span> 为爬到第 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 阶累计付出的代价,由于第 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 阶只可能从 <span class="arithmatex">\(i - 1\)</span> 阶或 <span class="arithmatex">\(i - 2\)</span> 阶走来,因此 <span class="arithmatex">\(dp[i]\)</span> 只可能等于 <span class="arithmatex">\(dp[i - 1] + cost[i]\)</span><span class="arithmatex">\(dp[i - 2] + cost[i]\)</span> 。为了尽可能减少代价,我们应该选择两者中较小的那一个,即:</p>
<div class="arithmatex">\[
@@ -3631,7 +3631,7 @@ dp[i] = \min(dp[i-1], dp[i-2]) + cost[i]
</div>
</div>
<p><img alt="爬楼梯最小代价的动态规划过程" src="../dp_problem_features.assets/min_cost_cs_dp.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 爬楼梯最小代价的动态规划过程 </p>
<p align="center"> 图:爬楼梯最小代价的动态规划过程 </p>
<p>本题也可以进行状态压缩,将一维压缩至零维,使得空间复杂度从 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 降低至 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span></p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="2:12"><input checked="checked" id="__tabbed_2_1" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_2" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_3" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_4" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_5" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_6" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_7" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_8" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_9" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_10" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_11" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_12" name="__tabbed_2" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_2_1">Java</label><label for="__tabbed_2_2">C++</label><label for="__tabbed_2_3">Python</label><label for="__tabbed_2_4">Go</label><label for="__tabbed_2_5">JS</label><label for="__tabbed_2_6">TS</label><label for="__tabbed_2_7">C</label><label for="__tabbed_2_8">C#</label><label for="__tabbed_2_9">Swift</label><label for="__tabbed_2_10">Zig</label><label for="__tabbed_2_11">Dart</label><label for="__tabbed_2_12">Rust</label></div>
@@ -3803,7 +3803,7 @@ dp[i] = \min(dp[i-1], dp[i-2]) + cost[i]
</div>
<p>例如,爬上第 <span class="arithmatex">\(3\)</span> 阶仅剩 <span class="arithmatex">\(2\)</span> 种可行方案,其中连续三次跳 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 阶的方案不满足约束条件,因此被舍弃。</p>
<p><img alt="带约束爬到第 3 阶的方案数量" src="../dp_problem_features.assets/climbing_stairs_constraint_example.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 带约束爬到第 3 阶的方案数量 </p>
<p align="center"> 图:带约束爬到第 3 阶的方案数量 </p>
<p>在该问题中,如果上一轮是跳 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 阶上来的,那么下一轮就必须跳 <span class="arithmatex">\(2\)</span> 阶。这意味着,<strong>下一步选择不能由当前状态(当前楼梯阶数)独立决定,还和前一个状态(上轮楼梯阶数)有关</strong></p>
<p>不难发现,此问题已不满足无后效性,状态转移方程 <span class="arithmatex">\(dp[i] = dp[i-1] + dp[i-2]\)</span> 也失效了,因为 <span class="arithmatex">\(dp[i-1]\)</span> 代表本轮跳 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 阶,但其中包含了许多“上一轮跳 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 阶上来的”方案,而为了满足约束,我们就不能将 <span class="arithmatex">\(dp[i-1]\)</span> 直接计入 <span class="arithmatex">\(dp[i]\)</span> 中。</p>
@@ -3820,7 +3820,7 @@ dp[i, 2] = dp[i-2, 1] + dp[i-2, 2]
\end{cases}
\]</div>
<p><img alt="考虑约束下的递推关系" src="../dp_problem_features.assets/climbing_stairs_constraint_state_transfer.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 考虑约束下的递推关系 </p>
<p align="center"> 图:考虑约束下的递推关系 </p>
<p>最终,返回 <span class="arithmatex">\(dp[n, 1] + dp[n, 2]\)</span> 即可,两者之和代表爬到第 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 阶的方案总数。</p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="3:12"><input checked="checked" id="__tabbed_3_1" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_2" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_3" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_4" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_5" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_6" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_7" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_8" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_9" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_10" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_11" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_12" name="__tabbed_3" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_3_1">Java</label><label for="__tabbed_3_2">C++</label><label for="__tabbed_3_3">Python</label><label for="__tabbed_3_4">Go</label><label for="__tabbed_3_5">JS</label><label for="__tabbed_3_6">TS</label><label for="__tabbed_3_7">C</label><label for="__tabbed_3_8">C#</label><label for="__tabbed_3_9">Swift</label><label for="__tabbed_3_10">Zig</label><label for="__tabbed_3_11">Dart</label><label for="__tabbed_3_12">Rust</label></div>
@@ -3517,14 +3517,14 @@
</div>
<p>例如以下示例数据,给定网格的最小路径和为 <span class="arithmatex">\(13\)</span></p>
<p><img alt="最小路径和示例数据" src="../dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_example.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 最小路径和示例数据 </p>
<p align="center"> 图:最小路径和示例数据 </p>
<p><strong>第一步:思考每轮的决策,定义状态,从而得到 <span class="arithmatex">\(dp\)</span></strong></p>
<p>本题的每一轮的决策就是从当前格子向下或向右一步。设当前格子的行列索引为 <span class="arithmatex">\([i, j]\)</span> ,则向下或向右走一步后,索引变为 <span class="arithmatex">\([i+1, j]\)</span><span class="arithmatex">\([i, j+1]\)</span> 。因此,状态应包含行索引和列索引两个变量,记为 <span class="arithmatex">\([i, j]\)</span></p>
<p>状态 <span class="arithmatex">\([i, j]\)</span> 对应的子问题为:从起始点 <span class="arithmatex">\([0, 0]\)</span> 走到 <span class="arithmatex">\([i, j]\)</span> 的最小路径和,解记为 <span class="arithmatex">\(dp[i, j]\)</span></p>
<p>至此,我们就得到了一个二维 <span class="arithmatex">\(dp\)</span> 矩阵,其尺寸与输入网格 <span class="arithmatex">\(grid\)</span> 相同。</p>
<p><img alt="状态定义与 dp 表" src="../dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_solution_step1.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 状态定义与 dp 表 </p>
<p align="center"> 图:状态定义与 dp 表 </p>
<div class="admonition note">
<p class="admonition-title">Note</p>
@@ -3538,7 +3538,7 @@
dp[i, j] = \min(dp[i-1, j], dp[i, j-1]) + grid[i, j]
\]</div>
<p><img alt="最优子结构与状态转移方程" src="../dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_solution_step2.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 最优子结构与状态转移方程 </p>
<p align="center"> 图:最优子结构与状态转移方程 </p>
<div class="admonition note">
<p class="admonition-title">Note</p>
@@ -3549,7 +3549,7 @@ dp[i, j] = \min(dp[i-1, j], dp[i, j-1]) + grid[i, j]
<p>在本题中,处在首行的状态只能向右转移,首列状态只能向下转移,因此首行 <span class="arithmatex">\(i = 0\)</span> 和首列 <span class="arithmatex">\(j = 0\)</span> 是边界条件。</p>
<p>每个格子是由其左方格子和上方格子转移而来,因此我们使用采用循环来遍历矩阵,外循环遍历各行、内循环遍历各列。</p>
<p><img alt="边界条件与状态转移顺序" src="../dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_solution_step3.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 边界条件与状态转移顺序 </p>
<p align="center"> 图:边界条件与状态转移顺序 </p>
<div class="admonition note">
<p class="admonition-title">Note</p>
@@ -3753,7 +3753,7 @@ dp[i, j] = \min(dp[i-1, j], dp[i, j-1]) + grid[i, j]
<p>下图给出了以 <span class="arithmatex">\(dp[2, 1]\)</span> 为根节点的递归树,其中包含一些重叠子问题,其数量会随着网格 <code>grid</code> 的尺寸变大而急剧增多。</p>
<p>本质上看,造成重叠子问题的原因为:<strong>存在多条路径可以从左上角到达某一单元格</strong></p>
<p><img alt="暴力搜索递归树" src="../dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_dfs.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 暴力搜索递归树 </p>
<p align="center"> 图:暴力搜索递归树 </p>
<p>每个状态都有向下和向右两种选择,从左上角走到右下角总共需要 <span class="arithmatex">\(m + n - 2\)</span> 步,所以最差时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(2^{m + n})\)</span> 。请注意,这种计算方式未考虑临近网格边界的情况,当到达网络边界时只剩下一种选择。因此实际的路径数量会少一些。</p>
<h3 id="_2">方法二:记忆化搜索<a class="headerlink" href="#_2" title="Permanent link">&para;</a></h3>
@@ -3992,7 +3992,7 @@ dp[i, j] = \min(dp[i-1, j], dp[i, j-1]) + grid[i, j]
</div>
<p>引入记忆化后,所有子问题的解只需计算一次,因此时间复杂度取决于状态总数,即网格尺寸 <span class="arithmatex">\(O(nm)\)</span></p>
<p><img alt="记忆化搜索递归树" src="../dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_dfs_mem.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 记忆化搜索递归树 </p>
<p align="center"> 图:记忆化搜索递归树 </p>
<h3 id="_3">方法三:动态规划<a class="headerlink" href="#_3" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>基于迭代实现动态规划解法。</p>
@@ -4279,6 +4279,8 @@ dp[i, j] = \min(dp[i-1, j], dp[i, j-1]) + grid[i, j]
</div>
</div>
</div>
<p align="center"> 图:最小路径和的动态规划过程 </p>
<h3 id="_4">状态压缩<a class="headerlink" href="#_4" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>由于每个格子只与其左边和上边的格子有关,因此我们可以只用一个单行数组来实现 <span class="arithmatex">\(dp\)</span> 表。</p>
<p>请注意,因为数组 <code>dp</code> 只能表示一行的状态,所以我们无法提前初始化首列状态,而是在遍历每行中更新它。</p>
@@ -3428,13 +3428,13 @@
</div>
<p>如下图所示,将 <code>kitten</code> 转换为 <code>sitting</code> 需要编辑 3 步,包括 2 次替换操作与 1 次添加操作;将 <code>hello</code> 转换为 <code>algo</code> 需要 3 步,包括 2 次替换操作和 1 次删除操作。</p>
<p><img alt="编辑距离的示例数据" src="../edit_distance_problem.assets/edit_distance_example.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 编辑距离的示例数据 </p>
<p align="center"> 图:编辑距离的示例数据 </p>
<p><strong>编辑距离问题可以很自然地用决策树模型来解释</strong>。字符串对应树节点,一轮决策(一次编辑操作)对应树的一条边。</p>
<p>如下图所示,在不限制操作的情况下,每个节点都可以派生出许多条边,每条边对应一种操作,这意味着从 <code>hello</code> 转换到 <code>algo</code> 有许多种可能的路径。</p>
<p>从决策树的角度看,本题的目标是求解节点 <code>hello</code> 和节点 <code>algo</code> 之间的最短路径。</p>
<p><img alt="基于决策树模型表示编辑距离问题" src="../edit_distance_problem.assets/edit_distance_decision_tree.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 基于决策树模型表示编辑距离问题 </p>
<p align="center"> 图:基于决策树模型表示编辑距离问题 </p>
<p><strong>第一步:思考每轮的决策,定义状态,从而得到 <span class="arithmatex">\(dp\)</span></strong></p>
<p>每一轮的决策是对字符串 <span class="arithmatex">\(s\)</span> 进行一次编辑操作。</p>
@@ -3454,7 +3454,7 @@
<li><span class="arithmatex">\(s[i-1]\)</span> 替换为 <span class="arithmatex">\(t[j-1]\)</span> ,则剩余子问题 <span class="arithmatex">\(dp[i-1, j-1]\)</span></li>
</ol>
<p><img alt="编辑距离的状态转移" src="../edit_distance_problem.assets/edit_distance_state_transfer.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 编辑距离的状态转移 </p>
<p align="center"> 图:编辑距离的状态转移 </p>
<p>根据以上分析,可得最优子结构:<span class="arithmatex">\(dp[i, j]\)</span> 的最少编辑步数等于 <span class="arithmatex">\(dp[i, j-1]\)</span> , <span class="arithmatex">\(dp[i-1, j]\)</span> , <span class="arithmatex">\(dp[i-1, j-1]\)</span> 三者中的最少编辑步数,再加上本次的编辑步数 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 。对应的状态转移方程为:</p>
<div class="arithmatex">\[
@@ -3786,6 +3786,8 @@ dp[i, j] = dp[i-1, j-1]
</div>
</div>
</div>
<p align="center"> 图:编辑距离的动态规划过程 </p>
<h3 id="_2">状态压缩<a class="headerlink" href="#_2" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>由于 <span class="arithmatex">\(dp[i,j]\)</span> 是由上方 <span class="arithmatex">\(dp[i-1, j]\)</span> 、左方 <span class="arithmatex">\(dp[i, j-1]\)</span> 、左上方状态 <span class="arithmatex">\(dp[i-1, j-1]\)</span> 转移而来,而正序遍历会丢失左上方 <span class="arithmatex">\(dp[i-1, j-1]\)</span> ,倒序遍历无法提前构建 <span class="arithmatex">\(dp[i, j-1]\)</span> ,因此两种遍历顺序都不可取。</p>
<p>为此,我们可以使用一个变量 <code>leftup</code> 来暂存左上方的解 <span class="arithmatex">\(dp[i-1, j-1]\)</span> ,从而只需考虑左方和上方的解。此时的情况与完全背包问题相同,可使用正序遍历。</p>
@@ -3456,7 +3456,7 @@
</div>
<p>如下图所示,对于一个 <span class="arithmatex">\(3\)</span> 阶楼梯,共有 <span class="arithmatex">\(3\)</span> 种方案可以爬到楼顶。</p>
<p><img alt="爬到第 3 阶的方案数量" src="../intro_to_dynamic_programming.assets/climbing_stairs_example.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 爬到第 3 阶的方案数量 </p>
<p align="center"> 图:爬到第 3 阶的方案数量 </p>
<p>本题的目标是求解方案数量,<strong>我们可以考虑通过回溯来穷举所有可能性</strong>。具体来说,将爬楼梯想象为一个多轮选择的过程:从地面出发,每轮选择上 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 阶或 <span class="arithmatex">\(2\)</span> 阶,每当到达楼梯顶部时就将方案数量加 <span class="arithmatex">\(1\)</span> ,当越过楼梯顶部时就将其剪枝。</p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="1:12"><input checked="checked" id="__tabbed_1_1" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_2" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_3" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_4" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_5" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_6" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_7" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_8" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_9" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_10" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_11" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_12" name="__tabbed_1" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_1_1">Java</label><label for="__tabbed_1_2">C++</label><label for="__tabbed_1_3">Python</label><label for="__tabbed_1_4">Go</label><label for="__tabbed_1_5">JS</label><label for="__tabbed_1_6">TS</label><label for="__tabbed_1_7">C</label><label for="__tabbed_1_8">C#</label><label for="__tabbed_1_9">Swift</label><label for="__tabbed_1_10">Zig</label><label for="__tabbed_1_11">Dart</label><label for="__tabbed_1_12">Rust</label></div>
@@ -3579,7 +3579,7 @@
<a id="__codelineno-4-3" name="__codelineno-4-3" href="#__codelineno-4-3"></a><span class="w"> </span><span class="c1">// 当爬到第 n 阶时,方案数量加 1</span>
<a id="__codelineno-4-4" name="__codelineno-4-4" href="#__codelineno-4-4"></a><span class="w"> </span><span class="k">if</span><span class="w"> </span><span class="p">(</span><span class="nx">state</span><span class="w"> </span><span class="o">===</span><span class="w"> </span><span class="nx">n</span><span class="p">)</span><span class="w"> </span><span class="nx">res</span><span class="p">.</span><span class="nx">set</span><span class="p">(</span><span class="mf">0</span><span class="p">,</span><span class="w"> </span><span class="nx">res</span><span class="p">.</span><span class="nx">get</span><span class="p">(</span><span class="mf">0</span><span class="p">)</span><span class="w"> </span><span class="o">+</span><span class="w"> </span><span class="mf">1</span><span class="p">);</span>
<a id="__codelineno-4-5" name="__codelineno-4-5" href="#__codelineno-4-5"></a><span class="w"> </span><span class="c1">// 遍历所有选择</span>
<a id="__codelineno-4-6" name="__codelineno-4-6" href="#__codelineno-4-6"></a><span class="w"> </span><span class="k">for</span><span class="w"> </span><span class="p">(</span><span class="nx">choice</span><span class="w"> </span><span class="k">of</span><span class="w"> </span><span class="nx">choices</span><span class="p">)</span><span class="w"> </span><span class="p">{</span>
<a id="__codelineno-4-6" name="__codelineno-4-6" href="#__codelineno-4-6"></a><span class="w"> </span><span class="k">for</span><span class="w"> </span><span class="p">(</span><span class="kd">const</span><span class="w"> </span><span class="nx">choice</span><span class="w"> </span><span class="k">of</span><span class="w"> </span><span class="nx">choices</span><span class="p">)</span><span class="w"> </span><span class="p">{</span>
<a id="__codelineno-4-7" name="__codelineno-4-7" href="#__codelineno-4-7"></a><span class="w"> </span><span class="c1">// 剪枝:不允许越过第 n 阶</span>
<a id="__codelineno-4-8" name="__codelineno-4-8" href="#__codelineno-4-8"></a><span class="w"> </span><span class="k">if</span><span class="w"> </span><span class="p">(</span><span class="nx">state</span><span class="w"> </span><span class="o">+</span><span class="w"> </span><span class="nx">choice</span><span class="w"> </span><span class="o">&gt;</span><span class="w"> </span><span class="nx">n</span><span class="p">)</span><span class="w"> </span><span class="k">break</span><span class="p">;</span>
<a id="__codelineno-4-9" name="__codelineno-4-9" href="#__codelineno-4-9"></a><span class="w"> </span><span class="c1">// 尝试:做出选择,更新状态</span>
@@ -3610,7 +3610,7 @@
<a id="__codelineno-5-8" name="__codelineno-5-8" href="#__codelineno-5-8"></a><span class="w"> </span><span class="c1">// 当爬到第 n 阶时,方案数量加 1</span>
<a id="__codelineno-5-9" name="__codelineno-5-9" href="#__codelineno-5-9"></a><span class="w"> </span><span class="k">if</span><span class="w"> </span><span class="p">(</span><span class="nx">state</span><span class="w"> </span><span class="o">===</span><span class="w"> </span><span class="nx">n</span><span class="p">)</span><span class="w"> </span><span class="nx">res</span><span class="p">.</span><span class="nx">set</span><span class="p">(</span><span class="mf">0</span><span class="p">,</span><span class="w"> </span><span class="nx">res</span><span class="p">.</span><span class="nx">get</span><span class="p">(</span><span class="mf">0</span><span class="p">)</span><span class="w"> </span><span class="o">+</span><span class="w"> </span><span class="mf">1</span><span class="p">);</span>
<a id="__codelineno-5-10" name="__codelineno-5-10" href="#__codelineno-5-10"></a><span class="w"> </span><span class="c1">// 遍历所有选择</span>
<a id="__codelineno-5-11" name="__codelineno-5-11" href="#__codelineno-5-11"></a><span class="w"> </span><span class="k">for</span><span class="w"> </span><span class="p">(</span><span class="kd">let</span><span class="w"> </span><span class="nx">choice</span><span class="w"> </span><span class="k">of</span><span class="w"> </span><span class="nx">choices</span><span class="p">)</span><span class="w"> </span><span class="p">{</span>
<a id="__codelineno-5-11" name="__codelineno-5-11" href="#__codelineno-5-11"></a><span class="w"> </span><span class="k">for</span><span class="w"> </span><span class="p">(</span><span class="kd">const</span><span class="w"> </span><span class="nx">choice</span><span class="w"> </span><span class="k">of</span><span class="w"> </span><span class="nx">choices</span><span class="p">)</span><span class="w"> </span><span class="p">{</span>
<a id="__codelineno-5-12" name="__codelineno-5-12" href="#__codelineno-5-12"></a><span class="w"> </span><span class="c1">// 剪枝:不允许越过第 n 阶</span>
<a id="__codelineno-5-13" name="__codelineno-5-13" href="#__codelineno-5-13"></a><span class="w"> </span><span class="k">if</span><span class="w"> </span><span class="p">(</span><span class="nx">state</span><span class="w"> </span><span class="o">+</span><span class="w"> </span><span class="nx">choice</span><span class="w"> </span><span class="o">&gt;</span><span class="w"> </span><span class="nx">n</span><span class="p">)</span><span class="w"> </span><span class="k">break</span><span class="p">;</span>
<a id="__codelineno-5-14" name="__codelineno-5-14" href="#__codelineno-5-14"></a><span class="w"> </span><span class="c1">// 尝试:做出选择,更新状态</span>
@@ -3791,7 +3791,7 @@ dp[i] = dp[i-1] + dp[i-2]
\]</div>
<p>这意味着在爬楼梯问题中,各个子问题之间存在递推关系,<strong>原问题的解可以由子问题的解构建得来</strong></p>
<p><img alt="方案数量递推关系" src="../intro_to_dynamic_programming.assets/climbing_stairs_state_transfer.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 方案数量递推关系 </p>
<p align="center"> 图:方案数量递推关系 </p>
<p>我们可以根据递推公式得到暴力搜索解法:</p>
<ul>
@@ -3995,7 +3995,7 @@ dp[i] = dp[i-1] + dp[i-2]
</div>
<p>下图展示了暴力搜索形成的递归树。对于问题 <span class="arithmatex">\(dp[n]\)</span> ,其递归树的深度为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(2^n)\)</span> 。指数阶属于爆炸式增长,如果我们输入一个比较大的 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,则会陷入漫长的等待之中。</p>
<p><img alt="爬楼梯对应递归树" src="../intro_to_dynamic_programming.assets/climbing_stairs_dfs_tree.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 爬楼梯对应递归树 </p>
<p align="center"> 图:爬楼梯对应递归树 </p>
<p>观察上图发现,<strong>指数阶的时间复杂度是由于「重叠子问题」导致的</strong>。例如:<span class="arithmatex">\(dp[9]\)</span> 被分解为 <span class="arithmatex">\(dp[8]\)</span><span class="arithmatex">\(dp[7]\)</span> <span class="arithmatex">\(dp[8]\)</span> 被分解为 <span class="arithmatex">\(dp[7]\)</span><span class="arithmatex">\(dp[6]\)</span> ,两者都包含子问题 <span class="arithmatex">\(dp[7]\)</span></p>
<p>以此类推,子问题中包含更小的重叠子问题,子子孙孙无穷尽也。绝大部分计算资源都浪费在这些重叠的问题上。</p>
@@ -4282,7 +4282,7 @@ dp[i] = dp[i-1] + dp[i-2]
</div>
<p>观察下图,<strong>经过记忆化处理后,所有重叠子问题都只需被计算一次,时间复杂度被优化至 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span></strong> ,这是一个巨大的飞跃。</p>
<p><img alt="记忆化搜索对应递归树" src="../intro_to_dynamic_programming.assets/climbing_stairs_dfs_memo_tree.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 记忆化搜索对应递归树 </p>
<p align="center"> 图:记忆化搜索对应递归树 </p>
<h2 id="1413">14.1.3. &nbsp; 方法三:动态规划<a class="headerlink" href="#1413" title="Permanent link">&para;</a></h2>
<p><strong>记忆化搜索是一种“从顶至底”的方法</strong>:我们从原问题(根节点)开始,递归地将较大子问题分解为较小子问题,直至解已知的最小子问题(叶节点)。之后,通过回溯将子问题的解逐层收集,构建出原问题的解。</p>
@@ -4500,7 +4500,7 @@ dp[i] = dp[i-1] + dp[i-2]
<li>将递推公式 <span class="arithmatex">\(dp[i] = dp[i-1] + dp[i-2]\)</span> 称为「状态转移方程」。</li>
</ul>
<p><img alt="爬楼梯的动态规划过程" src="../intro_to_dynamic_programming.assets/climbing_stairs_dp.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 爬楼梯的动态规划过程 </p>
<p align="center"> 图:爬楼梯的动态规划过程 </p>
<h2 id="1414">14.1.4. &nbsp; 状态压缩<a class="headerlink" href="#1414" title="Permanent link">&para;</a></h2>
<p>细心的你可能发现,<strong>由于 <span class="arithmatex">\(dp[i]\)</span> 只与 <span class="arithmatex">\(dp[i-1]\)</span><span class="arithmatex">\(dp[i-2]\)</span> 有关,因此我们无需使用一个数组 <code>dp</code> 来存储所有子问题的解</strong>,而只需两个变量滚动前进即可。</p>
@@ -3456,7 +3456,7 @@
</div>
<p>请注意,物品编号 <span class="arithmatex">\(i\)</span><span class="arithmatex">\(1\)</span> 开始计数,数组索引从 <span class="arithmatex">\(0\)</span> 开始计数,因此物品 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 对应重量 <span class="arithmatex">\(wgt[i-1]\)</span> 和价值 <span class="arithmatex">\(val[i-1]\)</span></p>
<p><img alt="0-1 背包的示例数据" src="../knapsack_problem.assets/knapsack_example.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 0-1 背包的示例数据 </p>
<p align="center"> 图:0-1 背包的示例数据 </p>
<p>我们可以将 0-1 背包问题看作是一个由 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 轮决策组成的过程,每个物体都有不放入和放入两种决策,因此该问题是满足决策树模型的。</p>
<p>该问题的目标是求解“在限定背包容量下的最大价值”,因此较大概率是个动态规划问题。</p>
@@ -3674,7 +3674,7 @@ dp[i, c] = \max(dp[i-1, c], dp[i-1, c - wgt[i-1]] + val[i-1])
<p>如下图所示,由于每个物品都会产生不选和选两条搜索分支,因此时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(2^n)\)</span></p>
<p>观察递归树,容易发现其中存在重叠子问题,例如 <span class="arithmatex">\(dp[1, 10]\)</span> 等。而当物品较多、背包容量较大,尤其是相同重量的物品较多时,重叠子问题的数量将会大幅增多。</p>
<p><img alt="0-1 背包的暴力搜索递归树" src="../knapsack_problem.assets/knapsack_dfs.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 0-1 背包的暴力搜索递归树 </p>
<p align="center"> 图:0-1 背包的暴力搜索递归树 </p>
<h3 id="_2">方法二:记忆化搜索<a class="headerlink" href="#_2" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>为了保证重叠子问题只被计算一次,我们借助记忆列表 <code>mem</code> 来记录子问题的解,其中 <code>mem[i][c]</code> 对应 <span class="arithmatex">\(dp[i, c]\)</span></p>
@@ -3916,7 +3916,7 @@ dp[i, c] = \max(dp[i-1, c], dp[i-1, c - wgt[i-1]] + val[i-1])
</div>
</div>
<p><img alt="0-1 背包的记忆化搜索递归树" src="../knapsack_problem.assets/knapsack_dfs_mem.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 0-1 背包的记忆化搜索递归树 </p>
<p align="center"> 图:0-1 背包的记忆化搜索递归树 </p>
<h3 id="_3">方法三:动态规划<a class="headerlink" href="#_3" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>动态规划实质上就是在状态转移中填充 <span class="arithmatex">\(dp\)</span> 表的过程,代码如下所示。</p>
@@ -4180,6 +4180,8 @@ dp[i, c] = \max(dp[i-1, c], dp[i-1, c - wgt[i-1]] + val[i-1])
</div>
</div>
</div>
<p align="center"> 图:0-1 背包的动态规划过程 </p>
<h3 id="_4">状态压缩<a class="headerlink" href="#_4" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>由于每个状态都只与其上一行的状态有关,因此我们可以使用两个数组滚动前进,将空间复杂度从 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span> 将低至 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span></p>
<p>进一步思考,我们是否可以仅用一个数组实现状态压缩呢?观察可知,每个状态都是由正上方或左上方的格子转移过来的。假设只有一个数组,当开始遍历第 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 行时,该数组存储的仍然是第 <span class="arithmatex">\(i-1\)</span> 行的状态。</p>
@@ -4210,6 +4212,8 @@ dp[i, c] = \max(dp[i-1, c], dp[i-1, c - wgt[i-1]] + val[i-1])
</div>
</div>
</div>
<p align="center"> 图:0-1 背包的状态压缩后的动态规划过程 </p>
<p>在代码实现中,我们仅需将数组 <code>dp</code> 的第一维 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 直接删除,并且把内循环更改为倒序遍历即可。</p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="6:12"><input checked="checked" id="__tabbed_6_1" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_2" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_3" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_4" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_5" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_6" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_7" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_8" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_9" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_10" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_11" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_12" name="__tabbed_6" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_6_1">Java</label><label for="__tabbed_6_2">C++</label><label for="__tabbed_6_3">Python</label><label for="__tabbed_6_4">Go</label><label for="__tabbed_6_5">JS</label><label for="__tabbed_6_6">TS</label><label for="__tabbed_6_7">C</label><label for="__tabbed_6_8">C#</label><label for="__tabbed_6_9">Swift</label><label for="__tabbed_6_10">Zig</label><label for="__tabbed_6_11">Dart</label><label for="__tabbed_6_12">Rust</label></div>
<div class="tabbed-content">
@@ -3561,7 +3561,7 @@
<p>给定 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 个物品,第 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 个物品的重量为 <span class="arithmatex">\(wgt[i-1]\)</span> 、价值为 <span class="arithmatex">\(val[i-1]\)</span> ,和一个容量为 <span class="arithmatex">\(cap\)</span> 的背包。<strong>每个物品可以重复选取</strong>,问在不超过背包容量下能放入物品的最大价值。</p>
</div>
<p><img alt="完全背包问题的示例数据" src="../unbounded_knapsack_problem.assets/unbounded_knapsack_example.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 完全背包问题的示例数据 </p>
<p align="center"> 图:完全背包问题的示例数据 </p>
<p>完全背包和 0-1 背包问题非常相似,<strong>区别仅在于不限制物品的选择次数</strong></p>
<ul>
@@ -3817,6 +3817,8 @@ dp[i, c] = \max(dp[i-1, c], dp[i, c - wgt[i-1]] + val[i-1])
</div>
</div>
</div>
<p align="center"> 图:完全背包的状态压缩后的动态规划过程 </p>
<p>代码实现比较简单,仅需将数组 <code>dp</code> 的第一维删除。</p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="3:12"><input checked="checked" id="__tabbed_3_1" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_2" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_3" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_4" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_5" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_6" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_7" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_8" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_9" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_10" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_11" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_12" name="__tabbed_3" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_3_1">Java</label><label for="__tabbed_3_2">C++</label><label for="__tabbed_3_3">Python</label><label for="__tabbed_3_4">Go</label><label for="__tabbed_3_5">JS</label><label for="__tabbed_3_6">TS</label><label for="__tabbed_3_7">C</label><label for="__tabbed_3_8">C#</label><label for="__tabbed_3_9">Swift</label><label for="__tabbed_3_10">Zig</label><label for="__tabbed_3_11">Dart</label><label for="__tabbed_3_12">Rust</label></div>
<div class="tabbed-content">
@@ -4036,7 +4038,7 @@ dp[i, c] = \max(dp[i-1, c], dp[i, c - wgt[i-1]] + val[i-1])
<p>给定 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 种硬币,第 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 种硬币的面值为 <span class="arithmatex">\(coins[i - 1]\)</span> ,目标金额为 <span class="arithmatex">\(amt\)</span> <strong>每种硬币可以重复选取</strong>,问能够凑出目标金额的最少硬币个数。如果无法凑出目标金额则返回 <span class="arithmatex">\(-1\)</span></p>
</div>
<p><img alt="零钱兑换问题的示例数据" src="../unbounded_knapsack_problem.assets/coin_change_example.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 零钱兑换问题的示例数据 </p>
<p align="center"> 图:零钱兑换问题的示例数据 </p>
<p><strong>零钱兑换可以看作是完全背包的一种特殊情况</strong>,两者具有以下联系与不同点:</p>
<ul>
@@ -4377,6 +4379,8 @@ dp[i, a] = \min(dp[i-1, a], dp[i, a - coins[i-1]] + 1)
</div>
</div>
</div>
<p align="center"> 图:零钱兑换问题的动态规划过程 </p>
<h3 id="_4">状态压缩<a class="headerlink" href="#_4" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>零钱兑换的状态压缩的处理方式和完全背包一致。</p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="6:12"><input checked="checked" id="__tabbed_6_1" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_2" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_3" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_4" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_5" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_6" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_7" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_8" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_9" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_10" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_11" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_12" name="__tabbed_6" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_6_1">Java</label><label for="__tabbed_6_2">C++</label><label for="__tabbed_6_3">Python</label><label for="__tabbed_6_4">Go</label><label for="__tabbed_6_5">JS</label><label for="__tabbed_6_6">TS</label><label for="__tabbed_6_7">C</label><label for="__tabbed_6_8">C#</label><label for="__tabbed_6_9">Swift</label><label for="__tabbed_6_10">Zig</label><label for="__tabbed_6_11">Dart</label><label for="__tabbed_6_12">Rust</label></div>
@@ -4628,7 +4632,7 @@ dp[i, a] = \min(dp[i-1, a], dp[i, a - coins[i-1]] + 1)
<p>给定 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 种硬币,第 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 种硬币的面值为 <span class="arithmatex">\(coins[i - 1]\)</span> ,目标金额为 <span class="arithmatex">\(amt\)</span> ,每种硬币可以重复选取,<strong>问在凑出目标金额的硬币组合数量</strong></p>
</div>
<p><img alt="零钱兑换问题 II 的示例数据" src="../unbounded_knapsack_problem.assets/coin_change_ii_example.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 零钱兑换问题 II 的示例数据 </p>
<p align="center"> 图:零钱兑换问题 II 的示例数据 </p>
<p>相比于上一题,本题目标是组合数量,因此子问题变为:<strong><span class="arithmatex">\(i\)</span> 种硬币能够凑出金额 <span class="arithmatex">\(a\)</span> 的组合数量</strong>。而 <span class="arithmatex">\(dp\)</span> 表仍然是尺寸为 <span class="arithmatex">\((n+1) \times (amt + 1)\)</span> 的二维矩阵。</p>
<p>当前状态的组合数量等于不选当前硬币与选当前硬币这两种决策的组合数量之和。状态转移方程为:</p>