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题目描述
这是 LeetCode 上的 397. 整数替换 ,难度为 中等。
Tag : 「DFS」、「BFS」、「贪心」
给定一个正整数 n
,你可以做如下操作:
- 如果
n
是偶数,则用n / 2
替换n
。 - 如果
n
是奇数,则可以用n + 1
或n - 1
替换n
。
n
变为 11 所需的最小替换次数是多少?
示例 1:
输入:n = 8 输出:3 解释:8 -> 4 -> 2 -> 1 复制代码
示例 2:
输入:n = 7 输出:4 解释:7 -> 8 -> 4 -> 2 -> 1 或 7 -> 6 -> 3 -> 2 -> 1 复制代码
示例 3:
输入:n = 4 输出:2 复制代码
提示:
- 1 <= n <= 2^{31} - 11<=n<=231−1
DFS
运用 DFS
进行求解。为防止重复处理某些数值,可以使用「哈希表」进行记忆化。
代码:
class Solution { Map<Long, Integer> map = new HashMap<>(); public int integerReplacement(int n) { return dfs(n * 1L); } int dfs(long n) { if (n == 1) return 0; if (map.containsKey(n)) return map.get(n); int ans = n % 2 == 0 ? dfs(n / 2) : Math.min(dfs(n + 1), dfs(n - 1)); map.put(n, ++ans); return ans; } } 复制代码
- 时间复杂度:O(\log{n})O(logn)
- 空间复杂度:O(\log{n})O(logn)
BFS
同理,也可以使用 BFS
进行求解。同样使用「哈希表」记录步数,进行防止重复处理。
代码:
class Solution { public int integerReplacement(int n) { if (n == 1) return 0; Map<Long, Integer> map = new HashMap<>(); Deque<Long> d = new ArrayDeque<>(); d.addLast(n * 1L); map.put(n * 1L, 0); while (!d.isEmpty()) { long t = d.pollFirst(); int step = map.get(t); long[] ns = t % 2 == 0 ? new long[]{t / 2} : new long[]{t + 1, t - 1}; for (long x : ns) { if (x == 1) return step + 1; if (!map.containsKey(x)) { map.put(x, step + 1); d.addLast(x); } } } return -1; } } 复制代码
- 时间复杂度:O(\log{n})O(logn)
- 空间复杂度:O(\log{n})O(logn)
贪心(位运算)
上述两种做法,我们不可避免地在每个回合枚举了所有我们可以做的决策:主要体现在对 xx 为奇数时的处理,我们总是处理 x + 1x+1 和 x - 1x−1 两种情况。
我们可以从二进制的角度进行分析:给定起始值 nn,求解将其变为 (000...0001)_2(000...0001)2 的最小步数。
- 对于偶数(二进制最低位为 00)而言,我们只能进行一种操作,其作用是将当前值 xx 其进行一个单位的右移;
- 对于奇数(二进制最低位为11)而言,我们能够进行
+1
或-1
操作,分析两种操作为xx产生的影响:
- 对于
+1
操作而言:最低位必然为 11,此时如果次低位为 00 的话,+1
相当于将最低位和次低位交换;如果次低位为 11 的话,+1
操作将将「从最低位开始,连续一段的 11」进行消除(置零),并在连续一段的高一位添加一个 11; - 对于
-1
操作而言:最低位必然为 11,其作用是将最低位的 11 进行消除。
因此,对于 xx 为奇数所能执行的两种操作,+1
能够消除连续一段的 11,只要次低位为 11(存在连续段),应当优先使用 +1
操作,但需要注意边界 x = 3x=3 时的情况(此时选择 -1
操作)。
代码:
class Solution { public int integerReplacement(int _n) { long n = _n; int ans = 0; while (n != 1) { if (n % 2 == 0) { n >>= 1; } else { if (n != 3 && ((n >> 1) & 1) == 1) n++; else n--; } ans++; } return ans; } } 复制代码
- 时间复杂度:O(\log{n})O(logn)
- 空间复杂度:O(1)O(1)
最后
这是我们「刷穿 LeetCode」系列文章的第 No.397
篇,系列开始于 2021/01/01,截止于起始日 LeetCode 上共有 1916 道题目,部分是有锁题,我们将先把所有不带锁的题目刷完。
在这个系列文章里面,除了讲解解题思路以外,还会尽可能给出最为简洁的代码。如果涉及通解还会相应的代码模板。
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