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刷經典 LeetCode 題目系列 第 31

經典LeetCode 322. Coin Change

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題目:
給定幾種不同面額的硬幣,硬幣數量不限,要求用最少的硬幣數量湊出一個指定的金額 amount。如果無法湊出這個金額,則回傳 -1。

範例:

輸入: coins = [1, 2, 5], amount = 11
輸出: 3
解釋: 11 = 5 + 5 + 1

輸入: coins = [2], amount = 3
輸出: -1

解題思路

直覺使用貪心法,最少的硬幣個數的話,那麼先挑大硬幣,不足的話在尋找有沒有次等的硬幣能夠丟出來,全部都沒有的話就是 return -1。

但是遇到硬幣 [1, 5, 11],並且要湊出金額 15 的話,就會得出 11x4枚+4x1枚=5枚 的結果,但最少硬幣數是 5x3枚,所以貪心法無法算出最優解。這題不能使用貪心法。

如果用動態規劃來解決的話,來試著分析看看,
假設我們有硬幣 [1, 2, 5],並且要湊出金額 11,湊出金額 11,會面臨 3 種選擇情況,
情況1: 選取面額 1 的硬幣時,將面臨湊出 10 的情況。(硬幣數為1枚+Amount 金額為 10 的最少硬幣數)
情況2: 選取面額 2 的硬幣時,將面臨湊出 9 的情況。(硬幣數為1枚+Amount 金額為 9 的最少硬幣數)
情況3: 選取面額 5 的硬幣時,將面臨湊出 6 的情況。(硬幣數為1枚+Amount 金額為 6 的最少硬幣數)

我們從金額 0 開始,一步步從小金額推導出來,直到達到金額 11,dp[i] 為 Amount 金額下所需的最少硬幣數,未使用的硬幣以 X 表示。
每回合計算該金額中這三種情況的最小值,即該金額的最少硬幣數,

Amount dp[i] Coin 1 Coin 2 Coin 5
0 0 X X X
1 1 1+dp[0]=1 X X
2 1 1+dp[1]=2 1+dp[0]=1 X
3 2 1+dp[2]=2 1+dp[1]=2 X
4 2 1+dp[3]=3 1+dp[2]=2 X
5 1 1+dp[4]=3 1+dp[3]=3 1+dp[0]=1
6 2 1+dp[5]=2 1+dp[4]=3 1+dp[1]=2
7 2 1+dp[6]=3 1+dp[5]=2 1+dp[2]=2
8 3 1+dp[7]=3 1+dp[6]=3 1+dp[3]=3
9 3 1+dp[8]=4 1+dp[7]=3 1+dp[4]=3
10 2 1+dp[9]=4 1+dp[8]=4 1+dp[5]=2
11 3 1+dp[10]=3 1+dp[9]=4 1+dp[6]=3

計算過程中,可發現每一個硬幣計算可以從上回合的狀態傳移過來,例如 Amount 金額 為 11 選取 Coin 5 時,剩下要湊出 6,dp[6] 為 Amount 金額為 6 的最少硬幣數,所以計算出硬幣數為 1+dp[6]=3枚,

因為每回合要取三種情況結果最小值,所以X的部份會用無限大的值表示不選擇或初始值

初始化 dp 陣列將每一個位置的值初始化為一個無限大的值,這裡設為 amount + 1,例如 Amount 金額為 11,使用最小 Coin 1 的硬幣數為 11 即最多硬幣數,所以 12 是不可能達到的結果。若使用 INT_MAX 要做好保護判斷不然會產生加法溢位問題)

實作:

class Solution {
public:
    int coinChange(vector<int>& coins, int amount) {
        int maxNum = amount+1;
        vector<int> dp(amount+1, maxNum);
        dp[0] = 0;
        for (int i = 1; i <= amount; i++) {
            if (i-coins[0] >= 0)
                dp[i] = min(dp[i], 1+dp[i-coins[0]]); // coin 1
            if (i-coins[1] >= 0)
                dp[i] = min(dp[i], 1+dp[i-coins[1]]); // coin 2
            if (i-coins[2] >= 0)
                dp[i] = min(dp[i], 1+dp[i-coins[2]]); // coin 5
        }
        return dp[amount] == maxNum ? -1 : dp[amount];
    }
};

但這樣只是能處理 3 種硬幣,改寫成處理各種 coins 數量後,

class Solution {
public:
    int coinChange(vector<int>& coins, int amount) {
        int maxNum = amount+1;
        vector<int> dp(amount+1, maxNum);
        dp[0] = 0;
        for (int i = 1; i <= amount; i++) {
            for (int j = 0; j < coins.size(); j++) {
                if (i-coins[j] >= 0)
                    dp[i] = min(dp[i], 1+dp[i-coins[j]]);
            }
        }
        return dp[amount] == maxNum ? -1 : dp[amount];
    }
};

所以公式為 dp[i] = min(dp[i], 1+dp[i-coins[j]])

參考:
#322. Coin Change
https://www.bilibili.com/video/av85797996/


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