有限制的随机数(递推版)

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上周 leetcode 比赛第三题分享了递归题解,这里分享下递推题解。

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一、背景

之前在《Leetcode 第 158 场比赛回顾》文章中,第三题介绍了动态规划的一种解法。

那种解法是动态规划中最简单有效的方法,即递归实现。
也因为递归的缘故,很多人说这类题可以使用记忆化dfs搜索解决。

由于是递归,我们需要储存所有状态,导致使用空间是5000*16*6

这里,我计划分享一个非递归的版本,即递推,然后可以发现,这个方法还有很大的优化空间。

二、状态转移方程

题意是有n次机会来随机生成数字,每次随机出的数字是1~6
但是有个限制,相同的数字连续出现的次数有个限制。
问最终生成的合法的数字序列有多少种。

我们定义出了状态:f(k, index, n),代表数字index在前面出现k次时,再掷n次骰子会出现多少序列。

经过简单逻辑推理,我们从后到前得出了递归方程:
f(k, index, n) = 五个 f(1, newindex, n-1) + 一个合法的f(k+1, index, n-1)

如果使用递推的方式来看的话,则是看哪些状态能够到达f(k, index, n)

其实这个状态来源只有两种情况。

情况一:k > 1,那么只能从f(k-1, index, n-1)转移过来。
情况二:k == 1,那么只能从f(x, y, n-1)转移过来,其中y != indexx为任意值。

汇总一下就得到下面的状态转移方程:

f(k, index, n) = f(k-1, index, n-1)  
f(k, index, n) = sum(f(x, y, n-1)), k==1&y!=index  

情况二用文字描述比较简单,但是实际涉及很多状态。
比如index等于1,那么涉及下面这些状态

f(1, 2, n-1)
f(2, 2, n-1)
...
f(max2, 2, n-1)
f(1, 3, n-1)
f(2, 3, n-1)
...
f(max3, 3, n-1)
...
f(1, 6, n-1)
...
f(max6, 6, n-1)

面对这么多状态,大概有6*15个,还是蛮多的。
所以需要预处理这些状态的和。

也许有人注意到了,这个二维状态就是一个矩阵。
而情况二的状态和其实就是不包含第index行的矩阵和。
如果我们有每一行的和以及整个矩阵的和,相减就可以快速得到情况二的答案。

每一行的和定义为sum[index],整个矩阵的和定义是all,则情况二可以改写为具体的公式。

f(1, index, n) = all[n-1] - sum[n-1][index]

三、滚动数组

当我们看到下面的方程时,有经验的你肯定可以发现,状态n只与状态n-1有关,

f(k, index, n) = f(k-1, index, n-1)  
f(1, index, n) = all[n-1] - sum[n-1][index]

所以数组里面n这个维度就没必要了。
定义一个大小为2的滚动数组来循环使用即可。

由此我们就可以实现出代码了。

时间复杂度:O(n*6*16),与递归一样
空间复杂度:O(2*6*16)

四、最后

动态规划的题,有一个特点就是解题思路有无限种可能。
有时候换一种角度思考,就会找到一种更优的时间或者更优的空间。

后面我有机会我继续这道题的其他解法。
每种解法都会涉及到不同的知识,敬请期待。

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