【动态规划】【图论】【C++算法】1575统计所有可行路径

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【动态规划】【字符串】【行程码】1531. 压缩字符串

本文涉及知识点

动态规划汇总

图论

LeetCode1575统计所有可行路径

给你一个 互不相同 的整数数组，其中 locations[i] 表示第 i 个城市的位置。同时给你 start，finish 和 fuel 分别表示出发城市、目的地城市和你初始拥有的汽油总量每一步中，如果你在城市 i ，你可以选择任意一个城市 j ，满足 j != i 且 0 <= j < locations.length ，并移动到城市 j 。从城市 i 移动到 j 消耗的汽油量为 |locations[i] – locations[j]|，|x| 表示 x 的绝对值。

请注意， fuel 任何时刻都 不能 为负，且你 可以 经过任意城市超过一次（包括 start 和 finish ）。

请你返回从 start 到 finish 所有可能路径的数目。

由于答案可能很大， 请将它对 10^9 + 7 取余后返回。

示例 1：

输入：locations = [2,3,6,8,4], start = 1, finish = 3, fuel = 5

输出：4

解释：以下为所有可能路径，每一条都用了 5 单位的汽油：

1 -> 3

1 -> 2 -> 3

1 -> 4 -> 3

1 -> 4 -> 2 -> 3

示例 2：

输入：locations = [4,3,1], start = 1, finish = 0, fuel = 6

输出：5

解释：以下为所有可能的路径：

1 -> 0，使用汽油量为 fuel = 1

1 -> 2 -> 0，使用汽油量为 fuel = 5

1 -> 2 -> 1 -> 0，使用汽油量为 fuel = 5

1 -> 0 -> 1 -> 0，使用汽油量为 fuel = 3

1 -> 0 -> 1 -> 0 -> 1 -> 0，使用汽油量为 fuel = 5

示例 3：

输入：locations = [5,2,1], start = 0, finish = 2, fuel = 3

输出：0

解释：没有办法只用 3 单位的汽油从 0 到达 2 。因为最短路径需要 4 单位的汽油。

提示：

2 <= locations.length <= 100

1 <= locations[i] <= 109

所有 locations 中的整数 互不相同 。

0 <= start, finish < locations.length

1 <= fuel <= 200

动态规划

令n = locations.length

动态规划的状态表示

dp[l][f] 表示 使用f单位的汽油，终点是l的可行路径数。状态数共：nm，故空间复杂度:O(nm)。

动态规划的转移方程

通过前置条件转移后置条件。

枚举符合以下条件的l1：

l1!=l

f1 = |loc[l1]-[l]| + f <= fuel。

dp[l1][[f1] += dp[l][f]

时间复杂度: O(nnm)

动态规划的填表顺序

f从小到大，确保动态规划的无后效性。

动态规划的初始状态

dp[start][0] =1 ，其它全部为0。

动态规划的返回值

dp[finish]之和

代码

核心代码

template
class C1097Int
{
public:
	C1097Int(long long llData = 0) :m_iData(llData% MOD)
	{

	}
	C1097Int  operator+(const C1097Int& o)const
	{
		return C1097Int(((long long)m_iData + o.m_iData) % MOD);
	}
	C1097Int& operator+=(const C1097Int& o)
	{
		m_iData = ((long long)m_iData + o.m_iData) % MOD;
		return *this;
	}
	C1097Int& operator-=(const C1097Int& o)
	{
		m_iData = (m_iData + MOD - o.m_iData) % MOD;
		return *this;
	}
	C1097Int  operator-(const C1097Int& o)
	{
		return C1097Int((m_iData + MOD - o.m_iData) % MOD);
	}
	C1097Int  operator*(const C1097Int& o)const
	{
		return((long long)m_iData * o.m_iData) % MOD;
	}
	C1097Int& operator*=(const C1097Int& o)
	{
		m_iData = ((long long)m_iData * o.m_iData) % MOD;
		return *this;
	}
	bool operator<(const C1097Int& o)const
	{
		return m_iData < o.m_iData;
	}
	C1097Int pow(long long n)const
	{
		C1097Int iRet = 1, iCur = *this;
		while (n)
		{
			if (n & 1)
			{
				iRet *= iCur;
			}
			iCur *= iCur;
			n >>= 1;
		}
		return iRet;
	}
	C1097Int PowNegative1()const
	{
		return pow(MOD - 2);
	}
	int ToInt()const
	{
		return m_iData;
	}
private:
	int m_iData = 0;;
};

class Solution {
public:
	int countRoutes(vector& locations, int start, int finish, int fuel) {
		const int n = locations.size();
		vector<vector<C1097Int >> dp(n, vector<C1097Int>(fuel + 1));
		dp[start][0] = 1;
		for (int f = 0; f < fuel; f++)
		{
			for (int l = 0; l < n; l++)
			{
				for (int l1 = 0; l1 < n; l1++)
				{
					if (l1 == l)
					{
						continue;
					}
					int f1 = f + abs(locations[l1] - locations[l]);
					if (f1 <= fuel)
					{
						dp[l1][f1] += dp[l][f];
					}
				}
			}
		}
		return std::accumulate(dp[finish].begin(), dp[finish].end(), C1097Int()).ToInt();
	}
};

测试用例

template
void Assert(const T& t1, const T& t2)
{
	assert(t1 == t2);
}

template
void Assert(const vector& v1, const vector& v2)
{
	if (v1.size() != v2.size())
	{
		assert(false);
		return;
	}
	for (int i = 0; i < v1.size(); i++)
	{
		Assert(v1[i], v2[i]);
	}

}

int main()
{	
	vector locations;
	int start,  finish,  fuel;
	{
		Solution sln;
		locations = { 2, 3, 6, 8, 4 }, start = 1, finish = 3, fuel = 5;
		auto res = sln.countRoutes(locations, start, finish, fuel);
		Assert(4, res);
	}

	{
		Solution sln;
		locations = { 4, 3, 1 }, start = 1, finish = 0, fuel = 6;
		auto res = sln.countRoutes(locations, start, finish, fuel);
		Assert(5, res);
	}

	{
		Solution sln;
		locations = { 5, 2, 1 }, start = 0, finish = 2, fuel = 3;
		auto res = sln.countRoutes(locations, start, finish, fuel);
		Assert(0, res);
	}
}

小幅优化

排序后，向右（左）第一个油量不够的城市就停止。

class Solution {
public:
	int countRoutes(vector& locations, int start, int finish, int fuel) {
		const int n = locations.size();
		const int startLoc = locations[start];
		const int finishLoc = locations[finish];
		sort(locations.begin(), locations.end());
		start = std::find(locations.begin(), locations.end(), startLoc)- locations.begin();
		finish = std::find(locations.begin(), locations.end(), finishLoc) - locations.begin();
		vector<vector<C1097Int >> dp(n, vector<C1097Int>(fuel + 1));
		dp[start][0] = 1;
		for (int f = 0; f < fuel; f++)
		{
			for (int l = 0; l < n; l++)
			{
				int use = 0;
				for (int l1 = l+1 ;(l1 < n )&&( f + (use = locations[l1] - locations[l]) <= fuel); l1++)
				{
					dp[l1][f+use] += dp[l][f];					
				}
				for (int l1 = l - 1; (l1 >= 0 ) && (f + (use = locations[l] - locations[l1]) <= fuel); l1--)
				{
					dp[l1][f + use] += dp[l][f];
				}
			}
		}
		return std::accumulate(dp[finish].begin(), dp[finish].end(), C1097Int()).ToInt();
	}
};

再次优化

填表顺序，还是从使用汽油少的到使用汽油多的。

前一个位置可能在当前位置的左边，也可能是右边。不失一般性，只讨论从左边过来。

假定当前使用汽油是f，位置是l。前一站使用的汽油是f1,位置是l1。则

行驶的路径等于消耗的汽油

→

\rightarrow

→ f-f1= l – l1

→

\rightarrow

→ f-l = f1-l1 性质一

符合性质一的状态分以下三类：

一，使用汽油比当前使用的汽油少。此状态就是本状态的前置状态。

二，使用汽油和当前状态使用的汽油一样，就是本状态。

三，使用汽油比当前汽油多，还没有更新。

结论： 符合性质一的状态路径和，就是本状态的路径和。

从右边来，类似：

f-f1=l1-l

→

\rightarrow

→ f+l==f1+l1 性质二

m1，记录性质一；m2 记录性质二。

时间复杂度：将为O(nfuel)。

class Solution {
public:
	int countRoutes(vector& locations, int start, int finish, int fuel) {
		const int n = locations.size();
		vector<vector<C1097Int >> dp(n, vector<C1097Int>(fuel + 1));
		unordered_map<int, C1097Int> m1,m2;
		dp[start][0] = 1;
		m1[0 - locations[start]] +=1 ;
		m2[0 + locations[start]] += 1;
		for (int f = 1; f <= fuel; f++)
		{
			for (int l = 0; l < n; l++)
			{
				dp[l][f] = m1[f- locations[l]]+ m2[f + locations[l]];
				m1[f - locations[l]] += dp[l][f];
				m2[f + locations[l]] += dp[l][f];
			}
		}
		return std::accumulate(dp[finish].begin(), dp[finish].end(), C1097Int()).ToInt();
	}
};

2023年2月第一版

class C1097Int

{

public:

C1097Int(int iData = 0) :m_iData(iData)

{

}

C1097Int operator+(const C1097Int& o)const

{

return C1097Int((m_iData + o.m_iData) % s_iMod);

}

C1097Int& operator+=(const C1097Int& o)

{

m_iData = (m_iData + o.m_iData) % s_iMod;

return this;

}

C1097Int operator(const C1097Int& o)const

{

return((long long)m_iData o.m_iData) % s_iMod;

}

C1097Int& operator=(const C1097Int& o)

{

m_iData =((long long)m_iData *o.m_iData) % s_iMod;

return *this;

}

int ToInt()const

{

return m_iData;

}

private:

int m_iData = 0;;

static const int s_iMod = 1000000007;

};

int operator+(int iData, const C1097Int& int1097)

{

int iRet = int1097.operator+(C1097Int(iData)).ToInt();

return iRet;

}

int& operator+=(int& iData, const C1097Int& int1097)

{

iData = int1097.operator+(C1097Int(iData)).ToInt();

return iData;

}

class Solution {

public:

int countRoutes(vector& locations, int start, int finish, int fuel) {

m_c = locations.size();

vector vFuelPos(fuel + 1, vector(m_c));

vFuelPos[fuel][start] = 1;

for (int iCurFuel = fuel-1; iCurFuel >= 0; iCurFuel–)

{

for (int iPos = 0; iPos < m_c; iPos++)

{

for (int iPrePos = 0; iPrePos < m_c; iPrePos++)

{

if (iPrePos == iPos)

{

continue;

}

const int iNeedFuel = iCurFuel + abs(locations[iPos] – locations[iPrePos]);

if (iNeedFuel <= fuel)

{

vFuelPos[iCurFuel][iPos] += vFuelPos[iNeedFuel][iPrePos];

}

}

}

}

C1097Int iNum = 0;

for (int iCurFuel = fuel ; iCurFuel >= 0; iCurFuel–)

{

iNum += vFuelPos[iCurFuel][finish];

}

return iNum.ToInt();

}

int m_c;

};

2023年9月版

class Solution {

public:

int countRoutes(vector& locations, int start, int finish, int fuel) {

m_c = locations.size();

int startValue = locations[start], finishValue = locations[finish];

std::sort(locations.begin(), locations.end());

start = std::lower_bound(locations.begin(), locations.end(), startValue) – locations.begin();

finish = std::lower_bound(locations.begin(), locations.end(), finishValue) – locations.begin();

m_vLeft.assign(m_c, vector<C1097Int>(fuel + 1));

m_vRight = m_vLeft;

int iRemain;

if ((start+1 =0 ))

{

m_vRight[start+1][iRemain] = 1;

}

if ((start > 0) && ((iRemain = fuel – locations[start] + locations[start – 1]) >= 0))

{

m_vLeft[start-1][iRemain] = 1;

}

for (int iFuel = fuel-1; iFuel > 0; iFuel–)

{

for (int city = 0; city < m_c; city++)

{

RightMoveRight(iFuel, city, locations);

RightMoveLeft(iFuel, city, locations);

LeftMoveRight(iFuel, city, locations);

LeftMoveLeft(iFuel, city, locations);

}

}

C1097Int biRet = 0;

for (int iFuel = fuel; iFuel >= 0; iFuel–)

{

biRet += m_vLeft[finish][iFuel];

biRet += m_vRight[finish][iFuel];

}

if (start == finish)

{

biRet += 1;

}

return biRet.ToInt();

}

void RightMoveRight(int iFuel, int city, const vector& loc)

{

if (city + 1 >= m_c)

{

return;

}

const int iNeedFuel = loc[city + 1] – loc[city];

if (iNeedFuel > iFuel)

{

return;

}

m_vRight[city + 1][iFuel – iNeedFuel] += m_vRight[city][iFuel] * 2;

}

void RightMoveLeft(int iFuel, int city, const vector& loc)

{

if (0 == city)

{

return;

}

const int iNeedFuel = loc[city] – loc[city – 1];

if (iNeedFuel > iFuel)

{

return;

}

m_vLeft[city – 1][iFuel – iNeedFuel] += m_vRight[city][iFuel];

}

void LeftMoveRight(int iFuel, int city, const vector& loc)

{

if (city + 1 >= m_c)

{

return;

}

const int iNeedFuel = loc[city + 1] – loc[city];

if (iNeedFuel > iFuel)

{

return;

}

m_vRight[city + 1][iFuel – iNeedFuel] += m_vLeft[city][iFuel];

}

void LeftMoveLeft(int iFuel, int city, const vector& loc)

{

if (0 == city)

{

return;

}

const int iNeedFuel = loc[city] – loc[city – 1];

if (iNeedFuel > iFuel)

{

return;

}

m_vLeft[city – 1][iFuel – iNeedFuel] += m_vLeft[city][iFuel] * 2;

}

vector<vector<C1097Int>> m_vLeft, m_vRight;

int m_c;

};

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扩展阅读

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测试环境

操作系统：win7 开发环境： VS2019 C++17

或者 操作系统：win10 开发环境： VS2022 C++17

如无特殊说明，本算法用**C++**实现。

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