LEETCODE 312. Burst Balloons 解题思路分析

题目大意:

戳气球

有 n 个气球,编号为0 到 n-1,每个气球上都标有一个数字,这些数字存在数组 nums 中。

现在要求你戳破所有的气球。每当你戳破一个气球 i 时,你可以获得 nums[left] * nums[i] * nums[right] 个硬币。 这里的 left 和 right 代表和 i 相邻的两个气球的序号。注意当你戳破了气球 i 后,气球 left 和气球 right 就变成了相邻的气球。

求所能获得硬币的最大数量。

说明:

  • 你可以假设 nums[-1] = nums[n] = 1,但注意它们不是真实存在的所以并不能被戳破。
  • 0 ≤ n ≤ 500, 0 ≤ nums[i] ≤ 100

示例:

输入: [3,1,5,8] 
输出: 167
解释: nums = [3,1,5,8] --> [3,5,8] --> [3,8] --> [8] --> []   coins = 3*1*5 + 3*5*8 + 1*3*8 + 1*8*1 = 167

如果想查看本题目是哪家公司的面试题,请参考以下免费链接: https://leetcode.jp/problemdetail.php?id=312

解题思路:

这是一道DP(动态规划)的题目,看到这种求极值的问题,应该首先想到利用动态规划去思考思路。本题为Hard题目,难点在于如何建立DP数组,以及推导出递推公式。

我们首先建立一个二维数组dp[i][j],用来表示在区间i到j范围内戳破所有气球能得到的最大分数,通过递推公式逐步求解,最终dp[0][length-1]即为题目答案。

接下来,看下如何写出推导公式。对于,任意一个区间[i, j],如果我们想戳破一个气球k,k在i和j的范围内(i <= k <= j),这时我们可以将这个区间变为三个部分:

[i, k - 1], [k], [k + 1, j] // k在i和j中间
[i, k - 1], [k], []         // k等于j
[], [k], [k + 1, j]         // k等于i
[], [k], []                 // k == i == j

不论k在i和j中间的什么位置,我们都可以将这一段分为3个子问题,我们分别称这三部分为:左,中,右。中间部分是我们这一步想要戳破的气球,它的长度永远只会是1(因为我们不能同时戳两个球)。左右两部分则分别是 dp[i][j] 的子问题 dp[i][k-1] dp[k+1][j] 的解。根据题目,中间部分的值 dp[k][k] 则应该是nums[k] * nums[k’ left] * nums[k’ right]。那么k的左和右是哪两个位置的值呢?显然 k-1k+1 并不是正确答案,原因很简单,不论k-1还是k+1,他们都存在于左右两个子问题中,我们定义的dp数组是代表该区间内所有气球都已经戳破的条件下,既然已经被戳破,那么我们就不能再利用这个值了,因此,k坐标的左右相邻的气球坐标应该是当前i和j范围的相邻位置,即i-1和j+1。至此,我们可以清晰的写出推导公式:

dp[i][j] = Max(dp[i][k-1] + nums[k] * nums[i-1] * nums[j+1] + dp[k+1][j]);
// i <= k <= j

简单的再总结一下这个公式,当前区间i和j范围内,我们取一个坐标k,对于每个k,我们都可以计算出一个当我们戳破下标为k的气球时能得到的分数,遍历完所有k的情况,最大分数即是当前范围内的最优解。

推导公式已经清楚。接下来我们考虑下怎么利用这个公式写代码。我们注意到,如果想计算出一个区间的最优解,我们需要先知道这个区间内子问题的解,因此在做dp运算时,我们应该从最短的区间(长度为1的区间)开始,这也是dp的初始条件,对于长度为1的最小区间,戳破每一个气球所能得到的最大分数即是:

dp[i][i] = nums[i] * nums[i-1] * nums[i+1];

这个计算公式,其实已经包含在上面讲到的递推公式中了,当i和j相同时,k也等于i和j,这样,dp[i][k-1]和dp[k+1][j]超出了当前范围,计算结果为0,因此就只剩下中间k的这一个部分了。

当我们得到了所有最小范围的解后,我们可以将范围扩大到2,再扩大到3,直到扩大为题目给出数组的整体范围,此时dp结束。

我们来看下实现代码。

public int maxCoins(int[] nums) {
    int length = nums.length; // 数组长度
    // 数组长度为0时,还计算个毛线,直接返回0。
    if (length == 0) {
        return 0;
    }
    // 定义2维dp数组,表示该区间内戳破所有气球能获得的最大分数。
    int dp[][] = new int[length][length];
    // 第一层循环是在变换区间的长度范围,变量i表示从0到数组长度-1
    // 注意,这里长度范围为0代表区间的左右下标相同。即right-left=0
    for (int i = 0; i < length; i++) {
        // 第二层循环是在改变区间的起始位置,从0到数组末尾。
        // 不过要考虑到区间的长度,起始位置+长度如果越界则不再考虑范围之内。
        // 此时for循环的第二个语句应该写为j + i < length
        for (int j = 0; j + i < length; j++) {
            // 根据区间长度i和起始位置j,计算出区间的左右下标。
            int leftIndex = j, rightIndex = j + i;
            // 在当前区间内遍历戳破所有气球时能得到的分数。
            // 变量k表示在当前区间内戳破哪个气球
            for (int k = leftIndex; k <= rightIndex; k++) {
                // 以k分割区间,从dp中取出区间左部分的值
                int left = k == leftIndex ? 0 : dp[leftIndex][k - 1];
                // 以k分割区间,从dp中取出区间右部分的值
                int right = k == rightIndex ? 0 : dp[k + 1][rightIndex];
                // 计算出戳破气球k能得到的分数
                int current = nums[k] * (leftIndex > 0 ? nums[leftIndex - 1] : 1)
                        * (rightIndex + 1 < length ? nums[rightIndex + 1] : 1);
                // 计算出左中右三部分的和,如果大于之前计算的结果,更新dp
                dp[leftIndex][rightIndex] = Math.max(dp[leftIndex][rightIndex], left + right + current);
            }
        }
    }
    // 返回最终答案
    return dp[0][length - 1];
}

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