那么,既然知道了这是个动态规划问题,就要思考如何列出正确的状态转移方程?
1、确定 base case,这个很简单,显然目标金额 amount 为 0 时算法返回 0,因为不需要任何硬币就已经凑出目标金额了。
2、确定「状态」,也就是原问题和子问题中会变化的变量。由于硬币数量无限,硬币的面额也是题目给定的,只有目标金额会不断地向 base case 靠近,所以唯一的「状态」就是目标金额 amount。
3、确定「选择」,也就是导致「状态」产生变化的行为。目标金额为什么变化呢,因为你在选择硬币,你每选择一枚硬币,就相当于减少了目标金额。所以说所有硬币的面值,就是你的「选择」。
4、明确 dp 函数/数组的定义。我们这里讲的是自顶向下的解法,所以会有一个递归的 dp 函数,一般来说函数的参数就是状态转移中会变化的量,也就是上面说到的「状态」;函数的返回值就是题目要求我们计算的量。就本题来说,状态只有一个,即「目标金额」,题目要求我们计算凑出目标金额所需的最少硬币数量。
所以我们可以这样定义 dp 函数:dp(n) 表示,输入一个目标金额 n,返回凑出目标金额 n 所需的最少硬币数量。
const dp = (coins,amount) =>{ if(amount === 0) return 0; if(amount < 0) return -1; let res = Number.MAX_VALUE; for(let coin of coins){ // 计算子问题的结果 let subProblem = dp(coins, amount - Number(coin)); // 子问题无解则跳过 if(subProblem === -1)continue; res = Math.min(res,subProblem + 1);// 在子问题中选择最优解,然后加一 } return res === Number.MAX_VALUE ? -1 : res; } function minMoney( arr , aim ) { return dp(arr,aim) }
子问题总数为递归树的节点个数,但算***进行剪枝,剪枝的时机和题目给定的具体硬币面额有关,所以可以想象,这棵树生长的并不规则,确切算出树上有多少节点是比较困难的。对于这种情况,我们一般的做法是按照最坏的情况估算一个时间复杂度的上界。
假设目标金额为 n,给定的硬币个数为 k,那么递归树最坏情况下高度为 n(全用面额为 1 的硬币),然后再假设这是一棵满 k 叉树,则节点的总数在 k^n 这个数量级。
接下来看每个子问题的复杂度,由于每次递归包含一个 for 循环,复杂度为 O(k),相乘得到总时间复杂度为 O(k^n),指数级别。
2、带备忘录的递归let memo = []; const dp = (coins,amount) =>{ if(amount === 0) return 0; if(amount < 0) return -1; // 查备忘录,防止重复计算 if(memo[amount] !== -666)return memo[amount]; let res = Number.MAX_VALUE; for(let coin of coins){ // 计算子问题的结果 let subProblem = dp(coins, amount - Number(coin)); // 子问题无解则跳过 if(subProblem === -1)continue; // 在子问题中选择最优解,然后加一 res = Math.min(res,subProblem + 1); } // 把计算结果存入备忘录 memo[amount] = res === Number.MAX_VALUE ? -1 : res; return memo[amount]; } function minMoney( arr , aim ) { memo = Array(aim+1).fill(-666); return dp(arr,aim) }很显然「备忘录」大大减小了子问题数目,完全消除了子问题的冗余,所以子问题总数不会超过金额数 n,即子问题数目为 O(n)。处理一个子问题的时间不变,仍是 O(k),所以总的时间复杂度是 O(kn)。
function minMoney( arr , aim ) { let dp = Array(aim+1).fill(aim+1);// 数组大小为 amount + 1,初始值也为 amount + 1 dp[0] = 0; // 外层 for 循环在遍历所有状态的所有取值 for(let i=0;i <dp.length; i++){ // 内层 for 循环在求所有选择的最小值 for(let coin of arr){ if(i - coin < 0){ continue; }// 子问题无解,跳过 dp[i] = Math.min(dp[i],1 + dp[i -Number(coin)]) } } return (dp[aim] === aim +1) ? -1 : dp[aim]; }
function minMoney( arr , aim ) { let dp = new Array(aim + 1).fill(Infinity);// 初始化dp数组 dp[0] = 0;// 面额0只需要0个硬币兑换 for (let i = 1; i <= aim; i++) {// 循环面额 for (let coin of arr) {// 循环硬币数组 if (i - coin >= 0) {// 当面额大于硬币价值时 // dp[i - coin]: 当前面额i减当前硬币价值所需要的最少硬币 dp[i] = Math.min(dp[i], dp[i - coin] + 1); } } } return dp[aim] === Infinity ? -1 : dp[aim]; } module.exports = { minMoney : minMoney };
PS:为啥 dp 数组中的值都初始化为 amount + 1 呢,因为凑成 amount 金额的硬币数最多只可能等于 amount(全用 1 元面值的硬币),所以初始化为 amount + 1 就相当于初始化为正无穷,便于后续取最小值。为啥不直接初始化为 int 型的最大值 Integer.MAX_VALUE 呢?因为后面有 dp[i - coin] + 1,这就会导致整型溢出。