Day 5：记忆化搜索（滑雪问题、斐波那契数列）
📖 一、记忆化搜索简介
记忆化搜索（Memoization） 是一种优化递归的方法，它利用 哈希表（HashMap）或数组 存储已经计算过的结果，避免重复计算，提高效率。
📌 记忆化搜索 vs 动态规划
| 方法 | 特点 | 适用场景 |
|---|---|---|
| 记忆化搜索 | 自顶向下（递归 + 记忆化存储） | 递归问题 |
| 动态规划 | 自底向上（迭代 + 状态转移） | 适用于所有 DP 问题 |
📖 二、经典记忆化搜索问题
1. 滑雪问题
题目描述：
- 给定一个
n × m的矩阵，每个位置(i, j)代表海拔高度h(i, j)。 - 从某一点
(i, j)出发，可以向 上下左右 移动，前提是新的位置海拔严格低于当前点。 - 目标是求最长的滑雪路径长度。
🔹 1. 思路
- 递归搜索所有可能的路径。
- 由于路径可能会重复访问同一个点，我们用
dp[i][j]记忆化存储(i, j)位置的最长滑雪路径。
🔹 2. 代码实现（滑雪问题）
import java.util.*;
public class Skiing {
static int[][] directions = {{1, 0}, {-1, 0}, {0, 1}, {0, -1}};
static int[][] grid, dp;
static int rows, cols;
public static int longestSkiPath(int[][] matrix) {
if (matrix == null || matrix.length == 0) return 0;
rows = matrix.length;
cols = matrix[0].length;
grid = matrix;
dp = new int[rows][cols];
int maxPath = 0;
for (int i = 0; i < rows; i++) {
for (int j = 0; j < cols; j++) {
maxPath = Math.max(maxPath, dfs(i, j));
}
}
return maxPath;
}
private static int dfs(int i, int j) {
if (dp[i][j] != 0) return dp[i][j]; // 记忆化：避免重复计算
int maxLength = 1; // 初始长度
for (int[] dir : directions) {
int x = i + dir[0], y = j + dir[1];
if (x >= 0 && x < rows && y >= 0 && y < cols && grid[x][y] < grid[i][j]) {
maxLength = Math.max(maxLength, 1 + dfs(x, y));
}
}
dp[i][j] = maxLength;
return maxLength;
}
public static void main(String[] args) {
int[][] matrix = {
{9, 8, 7},
{6, 5, 4},
{3, 2, 1}
};
System.out.println("最长滑雪路径长度: " + longestSkiPath(matrix)); // 输出 9
}
}
🔹 3. 代码讲解
dfs(i, j)递归查找(i, j)位置的最长路径。dp[i][j]记忆化存储 计算过的路径，避免重复计算。- 四个方向搜索，如果高度下降，则递归搜索。
✅ 时间复杂度：O(n × m)（避免重复计算）。
📖 三、斐波那契数列（Fibonacci）
题目描述： 斐波那契数列定义如下：
F(n)=F(n−1)+F(n−2),F(0)=0,F(1)=1F(n) = F(n-1) + F(n-2), \quad F(0) = 0, \quad F(1) = 1
求 F(n)。
🔹 1. 代码实现（记忆化搜索版）
import java.util.*;
public class FibonacciMemoization {
static Map<Integer, Long> memo = new HashMap<>();
public static long fibonacci(int n) {
if (n == 0) return 0;
if (n == 1) return 1;
if (memo.containsKey(n)) return memo.get(n);
long result = fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);
memo.put(n, result);
return result;
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Fibonacci(50): " + fibonacci(50)); // 输出很快
}
}
✅ 时间复杂度：O(n) ，避免 O(2^n) 的指数级递归。
📖 四、蓝桥杯真题：2021省赛 - 冰雹数
题目描述： 冰雹数列定义如下：
Hail(n) = n / 2（如果n是偶数）。Hail(n) = 3n + 1（如果n是奇数）。- 继续计算直到
n = 1，求Hail(n)的长度。
示例
输入: 10
输出: 7
🔹 1. 代码实现（记忆化搜索）
import java.util.*;
public class HailstoneSequence {
static Map<Integer, Integer> memo = new HashMap<>();
public static int hailstoneLength(int n) {
if (n == 1) return 1;
if (memo.containsKey(n)) return memo.get(n);
int next = (n % 2 == 0) ? n / 2 : 3 * n + 1;
int length = 1 + hailstoneLength(next);
memo.put(n, length);
return length;
}
public static void main(String[] args) {
int n = 10;
System.out.println("冰雹数列长度: " + hailstoneLength(n)); // 输出 7
}
}
🔹 2. 代码讲解
hailstoneLength(n)递归计算n的冰雹序列长度。memo记忆化存储 已计算的n，避免重复计算。
✅ 时间复杂度：O(n) ，避免 O(2^n) 级别的计算。
📖 五、总结
1. 记忆化搜索 vs 动态规划
| 方法 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 记忆化搜索（自顶向下） | 直观，递归写法清晰 | 可能有递归栈溢出 |
| 动态规划（自底向上） | 迭代方式，减少递归栈使用 | 需要找到最优状态转移方程 |
2. 记忆化搜索应用场景
✅ 斐波那契数列 ：避免指数级递归。
✅ 最长路径问题（滑雪） ：存储已访问路径，避免重复计算。
✅ 数论问题（冰雹数）：存储已计算结果，避免深度递归。