代码随想录算法训练营第32天 动态规划part01| 题目:理论基础 、 509. 斐波那契数 、70. 爬楼梯 、 746. 使用最小花费爬楼梯
文章来源:代码随想录
理论
题目名称:509. 斐波那契数
斐波那契数,通常用 F(n) 表示,形成的序列称为 斐波那契数列 。该数列由 0 和 1 开始,后面的每一项数字都是前面两项数字的和。也就是: F(0) = 0,F(1) = 1 F(n) = F(n - 1) + F(n - 2),其中 n > 1 给你n ,请计算 F(n) 。
示例 1:
输入:2
输出:1
解释:F(2) = F(1) + F(0) = 1 + 0 = 1
示例 2:
输入:3
输出:2
解释:F(3) = F(2) + F(1) = 1 + 1 = 2
示例 3:
输入:4
输出:3
解释:F(4) = F(3) + F(2) = 2 + 1 = 3
提示:
0 <= n <= 30
第一想法:
简单的模拟就可以解决,重要是要体现dp的步骤
解答思路:
斐波那契数列大家应该非常熟悉不过了,非常适合作为动规第一道题目来练练手。
因为这道题目比较简单,可能一些同学并不需要做什么分析,直接顺手一写就过了。
但「代码随想录」的风格是:简单题目是用来加深对解题方法论的理解的。
通过这道题目让大家可以初步认识到,按照动规五部曲是如何解题的。
对于动规,如果没有方法论的话,可能简单题目可以顺手一写就过,难一点就不知道如何下手了。
所以我总结的动规五部曲,是要用来贯穿整个动态规划系列的,就像之前讲过二叉树系列的递归三部曲 (opens new window),回溯法系列的回溯三部曲 (opens new window)一样。后面慢慢大家就会体会到,动规五部曲方法的重要性。
#动态规划
动规五部曲:
这里我们要用一个一维dp数组来保存递归的结果
1.确定dp数组以及下标的含义
dp[i]的定义为:第i个数的斐波那契数值是dp[i]
2.确定递推公式
为什么这是一道非常简单的入门题目呢?
因为题目已经把递推公式直接给我们了:状态转移方程 dp[i] = dp[i - 1] + dp[i - 2];
3.dp数组如何初始化
题目中把如何初始化也直接给我们了,如下:
dp[0] = 0;
dp[1] = 1;
4.确定遍历顺序
从递归公式dp[i] = dp[i - 1] + dp[i - 2];中可以看出,dp[i]是依赖 dp[i - 1] 和 dp[i - 2],那么遍历的顺序一定是从前到后遍历的
5.举例推导dp数组
按照这个递推公式dp[i] = dp[i - 1] + dp[i - 2],我们来推导一下,当N为10的时候,dp数组应该是如下的数列:
0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55
如果代码写出来,发现结果不对,就把dp数组打印出来看看和我们推导的数列是不是一致的。
时间复杂度:O(n)
空间复杂度:O(n)
当然可以发现,我们只需要维护两个数值就可以了,不需要记录整个序列。
收获:
题目名称:70. 爬楼梯
假设你正在爬楼梯。需要 n 阶你才能到达楼顶。
每次你可以爬 1 或 2 个台阶。你有多少种不同的方法可以爬到楼顶呢?
注意:给定 n 是一个正整数。
示例 1:
输入: 2
输出: 2
解释: 有两种方法可以爬到楼顶。
1 阶 + 1 阶
2 阶
示例 2:
输入: 3
输出: 3
解释: 有三种方法可以爬到楼顶。
1 阶 + 1 阶 + 1 阶
1 阶 + 2 阶
2 阶 + 1 阶
第一想法:
首先1. dp[i]是第i个楼梯到达的方法数
解答思路:
本题大家如果没有接触过的话,会感觉比较难,多举几个例子,就可以发现其规律。
爬到第一层楼梯有一种方法,爬到二层楼梯有两种方法。
那么第一层楼梯再跨两步就到第三层 ,第二层楼梯再跨一步就到第三层。
所以到第三层楼梯的状态可以由第二层楼梯 和 到第一层楼梯状态推导出来,那么就可以想到动态规划了。
我们来分析一下,动规五部曲:
定义一个一维数组来记录不同楼层的状态
1.确定dp数组以及下标的含义
dp[i]: 爬到第i层楼梯,有dp[i]种方法
2.确定递推公式
如何可以推出dp[i]呢?
从dp[i]的定义可以看出,dp[i] 可以有两个方向推出来。
首先是dp[i - 1],上i-1层楼梯,有dp[i - 1]种方法,那么再一步跳一个台阶不就是dp[i]了么。
还有就是dp[i - 2],上i-2层楼梯,有dp[i - 2]种方法,那么再一步跳两个台阶不就是dp[i]了么。
那么dp[i]就是 dp[i - 1]与dp[i - 2]之和!
所以dp[i] = dp[i - 1] + dp[i - 2] 。
在推导dp[i]的时候,一定要时刻想着dp[i]的定义,否则容易跑偏。
这体现出确定dp数组以及下标的含义的重要性!
3.dp数组如何初始化
再回顾一下dp[i]的定义:爬到第i层楼梯,有dp[i]种方法。
那么i为0,dp[i]应该是多少呢,这个可以有很多解释,但基本都是直接奔着答案去解释的。
例如强行安慰自己爬到第0层,也有一种方法,什么都不做也就是一种方法即:dp[0] = 1,相当于直接站在楼顶。
但总有点牵强的成分。
那还这么理解呢:我就认为跑到第0层,方法就是0啊,一步只能走一个台阶或者两个台阶,然而楼层是0,直接站楼顶上了,就是不用方法,dp[0]就应该是0.
其实这么争论下去没有意义,大部分解释说dp[0]应该为1的理由其实是因为dp[0]=1的话在递推的过程中i从2开始遍历本题就能过,然后就往结果上靠去解释dp[0] = 1。
从dp数组定义的角度上来说,dp[0] = 0 也能说得通。
需要注意的是:题目中说了n是一个正整数,题目根本就没说n有为0的情况。
所以本题其实就不应该讨论dp[0]的初始化!
我相信dp[1] = 1,dp[2] = 2,这个初始化大家应该都没有争议的。
所以我的原则是:不考虑dp[0]如何初始化,只初始化dp[1] = 1,dp[2] = 2,然后从i = 3开始递推,这样才符合dp[i]的定义。
4.确定遍历顺序
从递推公式dp[i] = dp[i - 1] + dp[i - 2];中可以看出,遍历顺序一定是从前向后遍历的
5.举例推导dp数组
举例当n为5的时候,dp table(dp数组)应该是这样的
困难:
抽象出动态公式,使用五步法去考虑。
题目名称:746. 使用最小花费爬楼梯
旧题目描述:
数组的每个下标作为一个阶梯,第 i 个阶梯对应着一个非负数的体力花费值 cost[i](下标从 0 开始)。
每当你爬上一个阶梯你都要花费对应的体力值,一旦支付了相应的体力值,你就可以选择向上爬一个阶梯或者爬两个阶梯。
请你找出达到楼层顶部的最低花费。在开始时,你可以选择从下标为 0 或 1 的元素作为初始阶梯。
示例 1:
输入:cost = [10, 15, 20]
输出:15
解释:最低花费是从 cost[1] 开始,然后走两步即可到阶梯顶,一共花费 15 。
示例 2:
输入:cost = [1, 100, 1, 1, 1, 100, 1, 1, 100, 1]
输出:6
解释:最低花费方式是从 cost[0] 开始,逐个经过那些 1 ,跳过 cost[3] ,一共花费 6 。
提示:
cost 的长度范围是 [2, 1000]。
cost[i] 将会是一个整型数据,范围为 [0, 999] 。
第一想法:
1.dp[i]是到达第i个阶梯的最少cost
2.dp[i]=dp[i-1]+cost[i-1]或者dp[i]=dp[i-2]+cost[i-2],选择最小的即可
解答思路:
修改之后的题意就比较明确了,题目中说 “你可以选择从下标为 0 或下标为 1 的台阶开始爬楼梯” 也就是相当于 跳到 下标 0 或者 下标 1 是不花费体力的, 从 下标 0 下标1 开始跳就要花费体力了。
1.确定dp数组以及下标的含义
使用动态规划,就要有一个数组来记录状态,本题只需要一个一维数组dp[i]就可以了。
dp[i]的定义:到达第i台阶所花费的最少体力为dp[i]。
对于dp数组的定义,大家一定要清晰!
2.确定递推公式
可以有两个途径得到dp[i],一个是dp[i-1] 一个是dp[i-2]。
dp[i - 1] 跳到 dp[i] 需要花费 dp[i - 1] + cost[i - 1]。
dp[i - 2] 跳到 dp[i] 需要花费 dp[i - 2] + cost[i - 2]。
那么究竟是选从dp[i - 1]跳还是从dp[i - 2]跳呢?
一定是选最小的,所以dp[i] = min(dp[i - 1] + cost[i - 1], dp[i - 2] + cost[i - 2]);
3.dp数组如何初始化
看一下递归公式,dp[i]由dp[i - 1],dp[i - 2]推出,既然初始化所有的dp[i]是不可能的,那么只初始化dp[0]和dp[1]就够了,其他的最终都是dp[0]dp[1]推出。
那么 dp[0] 应该是多少呢? 根据dp数组的定义,到达第0台阶所花费的最小体力为dp[0],那么有同学可能想,那dp[0] 应该是 cost[0],例如 cost = [1, 100, 1, 1, 1, 100, 1, 1, 100, 1] 的话,dp[0] 就是 cost[0] 应该是1。
这里就要说明本题力扣为什么改题意,而且修改题意之后 就清晰很多的原因了。
新题目描述中明确说了 “你可以选择从下标为 0 或下标为 1 的台阶开始爬楼梯。” 也就是说 到达 第 0 个台阶是不花费的,但从 第0 个台阶 往上跳的话,需要花费 cost[0]。
所以初始化 dp[0] = 0,dp[1] = 0;
4.确定遍历顺序
最后一步,递归公式有了,初始化有了,如何遍历呢?
本题的遍历顺序其实比较简单,简单到很多同学都忽略了思考这一步直接就把代码写出来了。
因为是模拟台阶,而且dp[i]由dp[i-1]dp[i-2]推出,所以是从前到后遍历cost数组就可以了。
但是稍稍有点难度的动态规划,其遍历顺序并不容易确定下来。 例如:01背包,都知道两个for循环,一个for遍历物品嵌套一个for遍历背包容量,那么为什么不是一个for遍历背包容量嵌套一个for遍历物品呢? 以及在使用一维dp数组的时候遍历背包容量为什么要倒序呢?
这些都与遍历顺序息息相关。当然背包问题后续「代码随想录」都会重点讲解的!
5.举例推导dp数组
拿示例2:cost = [1, 100, 1, 1, 1, 100, 1, 1, 100, 1] ,来模拟一下dp数组的状态变化
class Solution {public int minCostClimbingStairs(int[] cost) {int[] dp= new int[cost.length+1];dp[0]=0;dp[1]=0;for(int i=2;i<=cost.length;i++){dp[i]=Math.min(dp[i-1]+cost[i-1],dp[i-2]+cost[i-2]);}return dp[cost.length];}
}
收获:
注意dp[i]的边界定义问题,是否第一步不花费,cost大小与楼层的规定,dp[0]所代表的意义。