问题:
假设有m种面值不同的硬币,个个面值存于数组S ={S1,S2,… Sm}中,现在用这些硬币来找钱,各种硬币的使用个数不限。 求对于给定的钱数N,我们最多有几种不同的找钱方式。硬币的顺序并不重要。
例如,对于N = 4,S = {1,2,3},有四种方案:{1,1,1,1},{1,1,2},{2,2},{1, 3}。所以输出应该是4。对于N = 10,S = {2,5, 3,6},有五种解决办法:{2,2,2,2,2},{2,2,3,3},{2,2,6 },{2,3,5}和{5,5}。所以输出应该是5。
1)最优子结构
要算总数的解决方案,我们可以把所有的一整套解决方案在两组 (其实这个方法在组合数学中经常用到,要么包含某个元素要么不包含,用于递推公式等等,)。
1)解决方案不包含 第m种硬币(或Sm)。
2)解决方案包含至少一个 第m种硬币。
让数(S [] , M, N)是该函数来计算解的数目,则它可以表示为计数的总和(S [], M-1, N)和计数(S [],M,N-Sm)。
因此,这个问题具有最优子结构性质的问题。
2) 重叠子问题
下面是一个简单的递归实现硬币找零问题。遵循上面提到的递归结构。
#include<stdio.h>
int count( int S[], int m, int n )
{
// 如果n为0,就找到了一个方案
if (n == 0)
return 1;
if (n < 0)
return 0;
// 没有硬币可用了,也返回0
if (m <=0 )
return 0;
// 按照上面的递归函数
return count( S, m - 1, n ) + count( S, m, n-S[m-1] );
}
// 测试
int main()
{
int i, j;
int arr[] = {1, 2, 3};
int m = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);
printf("%d ", count(arr, m, 4));
getchar();
return 0;
}
应当指出的是,上述函数反复计算相同的子问题。见下面的递归树为S = {1,2,3},且n = 5。
的函数C({1},3)被调用两次。如果我们绘制完整的树,那么我们可以看到,有许多子问题被多次调用。
C() --> count()
C({1,2,3}, 5)
/ \
/ \
C({1,2,3}, 2) C({1,2}, 5)
/ \ / \
/ \ / \
C({1,2,3}, -1) C({1,2}, 2) C({1,2}, 3) C({1}, 5)
/ \ / \ / \
/ \ / \ / \
C({1,2},0) C({1},2) C({1,2},1) C({1},3) C({1}, 4) C({}, 5)
/ \ / \ / \ / \
/ \ / \ / \ / \
. . . . . . C({1}, 3) C({}, 4)
/ \
/ \
. .
所以,硬币找零问题具有符合动态规划的两个重要属性。像其他典型的动态规划(DP)的问题,可通过自下而上的方式打表,存储相同的子问题。当然上面的递归程序也可以改写成记忆化存储的方式来提高效率。
下面是动态规划的程序:
#include<stdio.h>
int count( int S[], int m, int n )
{
int i, j, x, y;
// 通过自下而上的方式打表我们需要n+1行
// 最基本的情况是n=0
int table[n+1][m];
// 初始化n=0的情况 (参考上面的递归程序)
for (i=0; i<m; i++)
table[0][i] = 1;
for (i = 1; i < n+1; i++)
{
for (j = 0; j < m; j++)
{
// 包括 S[j] 的方案数
x = (i-S[j] >= 0)? table[i - S[j]][j]: 0;
// 不包括 S[j] 的方案数
y = (j >= 1)? table[i][j-1]: 0;
table[i][j] = x + y;
}
}
return table[n][m-1];
}
// 测试
int main()
{
int arr[] = {1, 2, 3};
int m = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);
int n = 4;
printf(" %d ", count(arr, m, n));
return 0;
}
时间复杂度:O(mn)
以下为上面程序的优化版本。这里所需要的辅助空间为O(n)。因为我们在打表时,本行只和上一行有关,类似01背包问题。
int count( int S[], int m, int n )
{
int table[n+1];
memset(table, 0, sizeof(table));
//初始化基本情况
table[0] = 1;
for(int i=0; i<m; i++)
for(int j=S[i]; j<=n; j++)
table[j] += table[j-S[i]];
return table[n];
}