三角形最小路径和[中等]

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一、题目

给定一个三角形triangle,找出自顶向下的最小路径和。

每一步只能移动到下一行中相邻的结点上。相邻的结点 在这里指的是 下标 与 上一层结点下标 相同或者等于 上一层结点下标 + 1 的两个结点。也就是说,如果正位于当前行的下标 i ,那么下一步可以移动到下一行的下标ii + 1

示例 1:

输入:triangle = [[2],[3,4],[6,5,7],[4,1,8,3]]

输出:11

解释:如下面简图所示:
2
3 4
6 5 7
4 1 8 3

自顶向下的最小路径和为11(即,2 + 3 + 5 + 1 = 11)。

示例 2:

输入:triangle = [[-10]]

输出:-10

1 <= triangle.length <= 200
triangle[0].length == 1
triangle[i].length == triangle[i - 1].length + 1
-104 <= triangle[i][j] <= 104

进阶:你可以只使用O(n)的额外空间(n为三角形的总行数)来解决这个问题吗?

二、代码

本题是一道非常经典且历史悠久的动态规划题,其作为算法题出现,最早可以追溯到 1994 年的 IOI(国际信息学奥林匹克竞赛)的 The Triangle。时光飞逝,经过 20 多年的沉淀,往日的国际竞赛题如今已经变成了动态规划的入门必做题,不断督促着我们学习和巩固算法。

在本题中,给定的三角形的行数为 n,并且第 i 行(从 0 开始编号)包含了 i+1 个数。如果将每一行的左端对齐,那么会形成一个等腰直角三角形,如下所示:

[2]

[3,4]

[6,5,7]

[4,1,8,3]

方法一:动态规划

思路与算法

我们用 f[i][j] 表示从三角形顶部走到位置 (i,j) 的最小路径和。这里的位置 (i,j) 指的是三角形中第 i 行第 j 列(均从 0 开始编号)的位置。

由于每一步只能移动到下一行「相邻的节点」上,因此要想走到位置 (i,j),上一步就只能在位置 (i−1,j−1) 或者位置 (i−1,j)。我们在这两个位置中选择一个路径和较小的来进行转移,状态转移方程为:

f[i][j]=min(f[i−1][j−1],f[i−1][j])+c[i][j]

其中 c[i][j] 表示位置 (i,j) 对应的元素值。

注意第 i 行有 i+1 个元素,它们对应的 j 的范围为 [0,i]。当 j=0 或 j=i 时,上述状态转移方程中有一些项是没有意义的。例如当 j=0 时,f[i−1][j−1] 没有意义,因此状态转移方程为:

f[i][0]=f[i−1][0]+c[i][0]

即当我们在第 i 行的最左侧时,我们只能从第 i−1 行的最左侧移动过来。当 j=i 时,f[i−1][j] 没有意义,因此状态转移方程为:

f[i][i]=f[i−1][i−1]+c[i][i]

即当我们在第 i 行的最右侧时,我们只能从第 i−1 行的最右侧移动过来。

最终的答案即为 f[n−1][0] 到 f[n−1][n−1] 中的最小值,其中 n 是三角形的行数。

细节

状态转移方程的边界条件是什么?由于我们已经去除了所有「没有意义」的状态,因此边界条件可以定为:

f[0][0]=c[0][0]

即在三角形的顶部时,最小路径和就等于对应位置的元素值。这样一来,我们从 1 开始递增地枚举 i,并在 [0,i] 的范围内递增地枚举 j,就可以完成所有状态的计算。

java 复制代码
class Solution {
    public int minimumTotal(List<List<Integer>> triangle) {
        int n = triangle.size();
        int[][] f = new int[n][n];
        f[0][0] = triangle.get(0).get(0);
        for (int i = 1; i < n; ++i) {
            f[i][0] = f[i - 1][0] + triangle.get(i).get(0);
            for (int j = 1; j < i; ++j) {
                f[i][j] = Math.min(f[i - 1][j - 1], f[i - 1][j]) + triangle.get(i).get(j);
            }
            f[i][i] = f[i - 1][i - 1] + triangle.get(i).get(i);
        }
        int minTotal = f[n - 1][0];
        for (int i = 1; i < n; ++i) {
            minTotal = Math.min(minTotal, f[n - 1][i]);
        }
        return minTotal;
    }
}

时间复杂度: O(n ^ 2),其中n是三角形的行数。
空间复杂度: O(n ^ 2)。我们需要一个n∗n的二维数组存放所有的状态。

方法二:动态规划 + 空间优化

思路与算法

在题目描述中的「进阶」部分,提到了可以将空间复杂度优化至 O(n)。

我们回顾方法一中的状态转移方程:

f[i][j]= f[i−1][0]+c[i][0],j=0
f[i][j]=f[i−1][i−1]+c[i][i],j=i
f[i][j]=min(f[i−1][j−1],f[i−1][j])+c[i][j],otherwise

可以发现,f[i][j] 只与 f[i−1][...] 有关,而与 f[i−2][...] 及之前的状态无关,因此我们不必存储这些无关的状态。具体地,我们使用两个长度为 n 的一维数组进行转移,将 i 根据奇偶性映射到其中一个一维数组,那么 i−1 就映射到了另一个一维数组。这样我们使用这两个一维数组,交替地进行状态转移。

java 复制代码
class Solution {
    public int minimumTotal(List<List<Integer>> triangle) {
        int n = triangle.size();
        int[][] f = new int[2][n];
        f[0][0] = triangle.get(0).get(0);
        for (int i = 1; i < n; ++i) {
            int curr = i % 2;
            int prev = 1 - curr;
            f[curr][0] = f[prev][0] + triangle.get(i).get(0);
            for (int j = 1; j < i; ++j) {
                f[curr][j] = Math.min(f[prev][j - 1], f[prev][j]) + triangle.get(i).get(j);
            }
            f[curr][i] = f[prev][i - 1] + triangle.get(i).get(i);
        }
        int minTotal = f[(n - 1) % 2][0];
        for (int i = 1; i < n; ++i) {
            minTotal = Math.min(minTotal, f[(n - 1) % 2][i]);
        }
        return minTotal;
    }
}

上述方法的空间复杂度为 O(n),使用了 2n 的空间存储状态。我们还可以继续进行优化吗?

答案是可以的。我们从 i 到 0 递减地枚举 j,这样我们只需要一个长度为 n 的一维数组 f,就可以完成状态转移。

为什么只有在递减地枚举 j 时,才能省去一个一维数组?当我们在计算位置 (i,j) 时,f[j+1] 到 f[i] 已经是第 i 行的值,而 f[0] 到 f[j] 仍然是第 i−1 行的值。此时我们直接通过

f[j]=min(f[j−1],f[j])+c[i][j]

进行转移,恰好就是在 (i−1,j−1) 和 (i−1,j) 中进行选择。但如果我们递增地枚举 j,那么在计算位置 (i,j) 时,f[0] 到 f[j−1] 已经是第 i 行的值。如果我们仍然使用上述状态转移方程,那么是在 (i,j−1) 和 (i−1,j) 中进行选择,就产生了错误。

这样虽然空间复杂度仍然为 O(n),但我们只使用了 n 的空间存储状态,减少了一半的空间消耗。

java 复制代码
class Solution {
    public int minimumTotal(List<List<Integer>> triangle) {
        int n = triangle.size();
        int[] f = new int[n];
        f[0] = triangle.get(0).get(0);
        for (int i = 1; i < n; ++i) {
            f[i] = f[i - 1] + triangle.get(i).get(i);
            for (int j = i - 1; j > 0; --j) {
                f[j] = Math.min(f[j - 1], f[j]) + triangle.get(i).get(j);
            }
            f[0] += triangle.get(i).get(0);
        }
        int minTotal = f[0];
        for (int i = 1; i < n; ++i) {
            minTotal = Math.min(minTotal, f[i]);
        }
        return minTotal;
    }
}

时间复杂度: O(n ^ 2),其中 n 是三角形的行数。
空间复杂度: O(n)。

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