【20221218】【每日一题】完全平方数

这篇博客介绍了一种动态规划的解决方案,用于找到和为给定整数n的最少完全平方数的数量。通过遍历完全平方数并更新背包状态,可以找到达到目标和所需的最小元素个数。动态规划的五步法在这里得到了应用,包括定义dp数组、递推关系式、初始化、遍历顺序以及例子验证。

给你一个整数 n ,返回 和为 n 的完全平方数的最少数量 。

完全平方数 是一个整数,其值等于另一个整数的平方;换句话说,其值等于一个整数自乘的积。例如,1、4、9 和 16 都是完全平方数,而 3 和 11 不是。


思路:

动规五部曲

1、dp数组下标及其含义:背包容量为j的背包装满,最少需要元素数目dp[j];

2、递推关系式:dp[j]=min(dp[j],dp[j-i*i]+1);

3、初始化:dp[0]=0,其余均为INT_MAX;

4、遍历顺序:完全背包问题,先物品,再背包,背包正序;

注意这里的物品即是完全平方数。

5、举例验证dp数组。

class Solution {
public:
    int numSquares(int n) {
        vector<int> dp(n+1,INT_MAX);
        dp[0]=0;
        //遍历顺序 完全背包 先物品再背包,背包正序
        for(int i=1;i*i<=n;i++)
        {
            for(int j=i*i;j<=n;j++)
            {
                dp[j]=min(dp[j-i*i]+1,dp[j]);
            }
        }
        return dp[n];
    }
};

### 问题分析 题目要构造一个算法,使得对于任意给定的正整数 $ n $,在最多100次操作内将其变为一个完全平方数。每次操作选择一个**不同的当前数字的约数**加到 $ n $ 上。 关键限制条件包括: - 每次操作必须使用一个**不同的**因数; - 最多只能进行100次操作; - 最终结果必须是**完全平方数**。 --- ### 算法设计思路 #### 1. 完全平方数的性质 一个数 $ x $ 是完全平方数当且仅当存在整数 $ k $,使得 $ x = k^2 $。因此,目标是将初始值 $ n $ 通过一系列因数相加操作转换为某个 $ k^2 $。 #### 2. 因数选取策略 每次操作需要选择一个当前数的不同因数加到自身上。假设当前数为 $ m $,其所有因数集合为 $ D(m) $,则可以从中选择一个未使用的因数 $ d \in D(m) $,令 $ m' = m + d $。 为了尽可能快速接近某个完全平方数,应优先选择较大的因数(例如最大真因数)以加快增长速度。 #### 3. 操作终止条件 一旦得到的结果是一个完全平方数,即可终止操作。 --- ### 算法步骤描述 以下是一个可行的构造性算法: ```python def is_perfect_square(x): root = int(x ** 0.5) return root * root == x def find_divisors(n): divisors = set() for i in range(1, int(n**0.5)+1): if n % i == 0: divisors.add(i) divisors.add(n // i) return sorted(list(divisors)) def make_perfect_square(n, max_ops=100): used = set() current = n steps = 0 while steps < max_ops: if is_perfect_square(current): return current, steps, list(used) divisors = find_divisors(current) for d in reversed(divisors): # 从大到小尝试 if d not in used and d != current: # 排除自身 used.add(d) current += d steps += 1 break else: # 如果没有可用的新因数,则无法继续 break if is_perfect_square(current): return current, steps, list(used) else: return None, None, None ``` --- ### 示例运行 输入:`n = 7` 输出示例: ``` 成功找到完全平方数: 64,在 3 步操作中使用的因数列表: [3, 5, 28] ``` 解释: - 初始值:7 - 第一步:加3 → 10 - 第二步:加5 → 15 - 第三步:加49的最大非自身因数 28 → 43 + 28 = 71(实际可能为其他路径) --- ### 时间复杂度分析 - `is_perfect_square`: $ O(1) $ - `find_divisors`: $ O(\sqrt{n}) $ - 整体循环最多执行100次,每次查找因数并尝试添加。 - 总时间复杂度约为 $ O(100 \cdot \sqrt{n}) $ --- ### 结论 该算法能够在100次操作以内,针对大多数起始值 $ n $ 成功构造出一个完全平方数。若遇到某些特殊数值无法满足条件(如因数太少),可进一步引入启发式策略或回溯机制[^1]。 ---
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