《剑指offer第二版》面试题14:剪绳子

题目:给你一根长度为n的绳子,请把绳子剪成m段(m、n都是整数,n>1并且m>1),每段绳子的长度记为k[0],k[1],...,k[m]。请问k[0]*k[1]*...*k[m]可能的最大乘积是多少?例如,当绳子的长度是8时,我们把它剪成长度分别为2、3、3的三段,此时得到的最大乘积是18。

动态规划的概念

如果面试题是求一个问题的最优解(通常是求最大值或者最小值),而且该问题能够分解成若干个子问题,并且子问题之间还有重叠的更小的子问题,就可以考虑用动态规划来解决这个问题。

我们在应用动态规划之前要分析能否把大问题分解成小问题,分解后的小问题也存在最优解。如果把小问题的最优解组合起来能够得到整个问题的最优解,那么我们可以应用动态规划解决这个问题。

在应用动态规划解决问题的时候,我们总是从解决最小问题开始,并把已经解决的子问题的最优解存储下来,并把子问题的最优解组合起来逐步解决大的问题。

应用动态规划的时候,我们事先是不知道那种方法是最优的解法,只好把所有的可能都尝试一遍。

解题思路:首先定义函数f(n)为把长度为n的绳子剪成若干段后各段长度乘积的最大值。在剪第一刀的时候,我们有n-1中选择,也就是剪出来的第一段绳子的可能长度分别为1,2,3...,n-1。因此f(n) =max(f(i) * f(n-i)),其中0<i<n

这里注意:f(n) = max(f(i) * f(n-i)) ,fn是所有可能的f(i) * f(n-i)的最大值,其中0<i<n

这是一个从上至下的递归公式。由于递归会有很多重复的子问题,从而有大量不必要的重复计算。一个更好的办法是按照从下到上的顺序计算,也就是说我们先得到f(2)f(3)再得到f(4)f(5),直到得到f(n)

/**
 * 动态规划
 *
 * @param length 绳子的长度
 * @return
 */
public static int maxProduceAfterCutting(int length) {
    //异常情况
    if (length < 2) {
        return 0;
    }
    //绳子剪成m段,m>1 ,所以我们得剪成 1 * 1
    if (length == 2) {
        return 1;
    }
    //长度为3,只能剪成 1*2 最长的一段
    if (length == 3) {
        return 2;
    }
    //上面分别返回了长度小于等于3时候的最优解,下面是计算长度大于3时候的情况
    //注释1处,定义一个数组,用来保存计算出来的子问题的最优解
    int[] products = new int[length + 1];
    products[0] = 0;
    products[1] = 1;
    //注释2处,
    products[2] = 2;
    //注释3处,
    products[3] = 3;
    int result = 0;
    //开始计算
    for (int i = 4; i <= length; i++) {
        int max = 0;
        //注释4处,直接从j=1开始,不需要从0开始。
        for (int j = 1; j <= i / 2; j++) {
            int product = products[j] * products[i - j];
            if (max < product) {
                max = product;
            }
        }
        products[i] = max;
    }
    result = products[length];
    return result;
}

注释1处,定义一个数组,用来保存计算出来的子问题的最优解。products[i]表示长度为i的绳子剪成若干段之后隔断成都的乘积的最大值,即f(i)

注释2处,为什么这里products[2]等于2?例如当绳子长度为3的时候,我们剪成两段,其中一段为2,一段为1。这样长度为2的那段最大值就是2,而不是1,因为这一段我们不需要再剪了。

注释3处,初始化的时候为什么products[3]=3?因为当length<=3的时候,我们直接返回了结果。如果整个绳子的长度为3,我们必须把绳子剪开,因为题目要求m>1,其中一段为2,另一段为1,这样结果就是2。当length>=4的时候,我们可以把绳子剪成两段,其中一段为3,另一段为1,这样长度为3的那一段的最大值就是3而不是2,因为这一段我们不需要再剪了。当然长度为4的最大值是剪成2和2的组合,我们已经存储了2的长度。

注释4处,直接从j=1开始,不需要从0开始。

贪婪算法

贪婪算法和动态规划不一样。当我们应用贪婪算法解决问题的时候,每一步都可以做出一个贪婪的选择,基于这个选择,我们确定能够得到最优解。贪婪算法需要用数学的方式证明每一步的贪婪选择是正确的。

贪婪算法

  1. 当 n>=5 时,尽可能多地剪长度为 3 的绳子
  2. 当剩下的绳子长度为 4 时,就把绳子剪成两段长度为 2 的绳子。

证明:书上的证明。。。

  1. 当 n>=5 时,可以证明 2*(n-2)>n,并且3*(n-3)>n。也就是说,当绳子剩下长度大于或者等于 5 的时候,可以把它剪成长度为 3 或者 2 的绳子段。
  2. 当 n>=5 时,3*(n-3)>=2*(n-2),因此,应该尽可能多地剪长度为 3 的绳子段。
  3. 当 n=4 时,剪成两根长度为 2 的绳子,其实没必要剪,只是题目的要求是至少要剪一刀。
/**
 *
 * @param length 绳子的长度
 * @return
 */
public static int maxProduceAfterCuttingGreedy(int length) {
    if (length < 2) {
        return 0;
    }
    if (length == 2) {
        return 1;
    }
    if (length == 3) {
        return 2;
    }
    //尽可能多的减去长度为3的绳子段,这个需要去证明,长度为3的段数越多乘积越大
    int timesOf3 = length / 3;
    //注释1处
    if (length - timesOf3 * 3 == 1) {
        timesOf3 -= 1;
    }
    int timeOf2 = (length - timesOf3 * 3) / 2;
    return (int) Math.pow(3, timesOf3) * (int) Math.pow(2, timeOf2);
}

注释1处,当绳子最后剩下的长度为4的时候,不能再减去长度为3的绳子段,此时更好的方法是把绳子减去长度为e的两段,因为2*2>3*1

比如绳子长度为13:

  1. 尽可能减长度为3的绳子,可以剪4段长度为3的绳子,还剩一根长度为1的绳子,最终乘积是:3*3*3*3*1 =81
  2. 尽可能减长度为3的绳子,可以剪3段长度为3的绳子,当绳子最后剩下的长度为4的时候,不能再减去长度为3的绳子段,最终乘积是:3*3*3*4 = 27 * 4 108

参考链接:

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