LeetCode_343:数字划分问题(递归+动态+数学)

题目描述

原题地址:https://leetcode-cn.com/problems/integer-break/
给定一个正整数 n,将其拆分为至少两个正整数的和,并使这些整数的乘积最大化。 返回你可以获得的最大乘积。

示例 1:

输入: 2
输出: 1
解释: 2 = 1 + 1, 1 × 1 = 1。

示例 2:

输入: 10
输出: 36
解释: 10 = 3 + 3 + 4, 3 × 3 × 4 = 36。

说明: 你可以假设 n 不小于 2 且不大于 58。

解法1——递归

递归的思路无非就是自顶向上,很容易想出来,代码如下

//递归-自顶向下
public static int integerBreak(int n) {
    return dfs(n);
}

public static int dfs(int n){
    if(n == 1 || n == 2){
        return 1;
    }
    int res = 0;
    for(int i = 1;i < n;i++){
        res = Math.max(res,Math.max(i * dfs(n - i),i * (n - i)));
    }
    return res;
}

这种方法虽然比较容易想出来,但是中间重复计算的非常多,实际在LeetCode中不能AC

解法2——动态规划

动态规划那么就是自底向上的方法,根据上一步的递归,状态转移方程为
dp[i] = \max(dp[i],\max(j*dp[i-j],j*(i-j)))
其中,j为区间[1,i-1]之间的数。

//动态规划-自下向上
public static int integerBreak2(int n) {
    int[] dp = new int[n + 1];
    dp[2] = 1;
    for(int i = 2;i <= n;i++){
        for(int j = 1;j <= i - 1;j++){
            dp[i] = Math.max(dp[i],Math.max(j * dp[i - j],j * (i - j)));
        }
    }
    return dp[n];
}

解法3——数学分析

根据高中学习的均值不等式,可以得到
n= \frac{a_1+a_2+...+a_m}{m} \ge \sqrt[m]{a_1a_2...a_m}
a_1=a_2=...=a_m=x,那么目标积为
f(x)=x^{ \frac{m}{x}}
对上述函数求导数,可以得到
f'(x)=m(1- \ln{x})x^{ \frac{n}{x}-2}
x=e=2.71828...时取得最大值,那么离e最近的两个整数为23,下面再来考虑时选择3还是选择2。

假设一个数n=3x+2y,则乘积为f=3^x2^y=3^x2^{ \frac{n-3x}{2}},对其两边取对数可以得到
\ln f=x \ln{3}+\frac{n-3x}{2} \ln{2}=(\ln{3}-\frac{3}{2}\ln{2})x+\frac{n}{2}\ln{2}
由于(\ln{3}-\frac{3}{2}\ln{2}) > 0,所以是x越大越好,所以应该尽可能的多取3.


//数学方法
public static int integerBreak3(int n){
    if(n == 2){
        return 1;
    }
    if(n == 3){
        return 2;
    }
    int res = 1;
    while(n > 4){
        res *= 3;
        n -= 3;
    }
    return res * n;
}
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