动态规划题解_零钱兑换【LeetCode】

322. 零钱兑换

给你一个整数数组 coins ,表示不同面额的硬币;以及一个整数 amount ,表示总金额。

计算并返回可以凑成总金额所需的 最少的硬币个数 。如果没有任何一种硬币组合能组成总金额,返回 -1 。

你可以认为每种硬币的数量是无限的。

示例 1:

**输入:**coins = 1, 2, 5, amount = 11

**输出:**3

**解释:**11 = 5 + 5 + 1

示例 2:

输入: coins = [2], amount = 3

输出:-1

示例 3:

**输入:**coins = 1, amount = 0

**输出:**0

方法一:递归 + 记忆化搜索(DFS + cache)


一、算法逻辑(逐步思路)

❓ 题目目标:

给定一个 coins 数组(硬币面值)和一个目标金额 amount,

要求用最少的硬币数凑出 amount,凑不出来就返回 -1。


✅ 思路解析(使用 DFS + 记忆化):

1. 使用递归函数 dfs(i, c):
  • 表示:只使用前 i 个硬币(coins[0] 到 coins[i]),凑出金额 c 所需的最小硬币数。
2. 基本边界情况:
  • 如果 i < 0,即没有任何硬币可用了:
    • 如果金额 c == 0,刚好凑出,返回 0;
    • 否则说明无法凑出,返回 inf 表示不合法解。
3. 决策逻辑:
  • 如果当前硬币 coins[i] 比当前金额 c 还大:不能选它 ,只能尝试不选:dfs(i - 1, c);
  • 否则有两种选择:
    • 不选当前硬币:dfs(i - 1, c);
    • 继续选当前硬币(不限次数):dfs(i, c - coins[i]) + 1;
    • 二者取较小值作为当前子问题的解。
4. 返回最终解:
  • 初始从 dfs(len(coins) - 1, amount) 开始;
  • 若结果为无穷大(表示无解),则返回 -1;否则返回结果。
5. 使用 @cache 实现记忆化搜索,避免重复递归,提高性能。

二、算法核心点

✅ 核心思想:完全背包问题的 DFS + 记忆化版本

  • 本质是"无限背包问题":每个硬币可以用无数次;
  • 每个子问题有两个选择:选 / 不选当前硬币;
  • 利用 DFS 递归地表示子问题,再用缓存装饰器 @cache 减少重复子问题计算;
  • 与普通 DP 不同的是,这里使用了自顶向下的搜索方式(递归)而非自底向上的表格填充。
python 复制代码
class Solution:
    def coinChange(self, coins: List[int], amount: int) -> int:
        @cache  # 缓存装饰器,避免重复计算 dfs 的结果(记忆化)
        def dfs(i: int, c: int) -> int:
            if i < 0:
                return 0 if c == 0 else inf
            if c < coins[i]:  # 只能不选
                return dfs(i - 1, c)
            # 不选 vs 继续选
            return min(dfs(i - 1, c), dfs(i, c - coins[i]) + 1)

        ans = dfs(len(coins) - 1, amount)
        return ans if ans < inf else -1

三、复杂度分析

  • 时间复杂度:O(n × amount)
    • 有 n 个硬币,最多可能对每个金额(0~amount)都调用一次;
    • 利用缓存后,每个状态 dfs(i, c) 最多被计算一次。
  • 空间复杂度:O(n × amount)
    • 缓存占用的空间,与状态数量一致;
    • 另外递归栈深度最大为 O(amount),在极端情况下。

总结表:

|---------|-------------------------------|
| 维度 | 内容 |
| ✅ 思路逻辑 | DFS 表达子问题,尝试选或不选当前硬币,递归求解最小数量 |
| ✅ 核心技巧 | 完全背包问题;DFS + 缓存优化;边界合法判断 |
| ✅ 时间复杂度 | O(n × amount),n 为硬币种类数量 |
| ✅ 空间复杂度 | O(n × amount),缓存 + 递归栈开销 |

方法二:1:1 翻译成递推后,进行空间优化:两个数组(滚动数组)

一、算法逻辑(逐步思路)

❓ 问题目标:

给定一个整数数组 coins(代表硬币的面额)和一个整数 amount,求凑成 amount 最少需要多少枚硬币,如果无法凑成返回 -1。


✅ 思路解析(完全背包问题)

  1. 定义状态:
    • f[i][c] 表示使用前 i 个硬币(从 coins ** **0 到 coins ** **i-1)凑成金额 c 所需的最少硬币数。
    • 初始化为 inf 表示初始时不可达;
    • 特别地,f[0][0] = 0 表示用 0 个硬币凑出金额 0,需要 0 枚硬币。
  1. 状态转移:
    对于每种硬币 x = coins[i] 和金额 c,有两种选择:
    • 不选第 i 个硬币 :f[i+1][c] = f[i][c];
    • 选第 i 个硬币 :f[i+1][c] = f[i+1][c - x] + 1(可以多次选,注意状态沿着 i+1 更新)
  1. 使用滚动数组优化:
    • 因为 f[i+1][...] 只依赖于 f[i][...] 和 f[i+1][...],所以只需要 2 行数组就能完成转移;
    • f[i % 2] 表示上一轮,f[(i + 1) % 2] 表示当前轮;
    • 每次处理完第 i 个硬币后,数组换一次行,节省空间。
  1. 返回最终解:
    • 答案是 f[n % 2][amount](n 是硬币数量);
    • 如果这个值仍为 inf,说明无解,返回 -1。

二、算法核心点

✅ 核心思想:完全背包的二维动态规划 + 空间优化

  • 本质是完全背包问题(每个物品可以选多次);
  • 将状态定义为"前 i 个硬币构成 c 的最小硬币数";
  • 使用滚动数组优化空间,把 O(n × amount) 降为 O(2 × amount)。

这种写法特别适合面试时展示「从朴素二维 DP 优化到空间压缩」的过程。

python 复制代码
class Solution:
    def coinChange(self, coins: List[int], amount: int) -> int:
        n = len(coins)
        f = [[inf] * (amount + 1) for _ in range(2)]
        f[0][0] = 0
        for i, x in enumerate(coins):
            for c in range(amount + 1):
                if c < x:
                    f[(i + 1) % 2][c] = f[i % 2][c]
                else:
                    f[(i + 1) % 2][c] = min(f[i % 2][c], f[(i + 1) % 2][c - x] + 1)
        ans = f[n % 2][amount]
        return ans if ans < inf else -1

三、复杂度分析

  • 时间复杂度:O(n × amount)
    • 外层循环 n 次(硬币种数),内层循环最多 amount+1 次。
  • 空间复杂度:O(2 × amount) = O(amount)
    • 使用滚动数组,只保留两行状态,节省空间。

总结表:

|---------|----------------------------------------------|
| 维度 | 内容 |
| ✅ 思路逻辑 | 完全背包问题,动态转移构建出所有金额的最少硬币数 |
| ✅ 核心技巧 | 状态定义:f[i][c] 表示前 i 种硬币构成金额 c 的最小硬币数;滚动数组优化 |
| ✅ 时间复杂度 | O(n × amount) |
| ✅ 空间复杂度 | O(amount)(由于使用 2 行数组优化空间) |

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