LeetCode 89. Gray Code(格雷码)

本文介绍了一种生成格雷码的算法,包括直接计算法、递归法及使用栈实现的迭代法。这些方法能够根据不同位数生成相应的格雷码序列。

原题网址:https://leetcode.com/problems/gray-code/

The gray code is a binary numeral system where two successive values differ in only one bit.

Given a non-negative integer n representing the total number of bits in the code, print the sequence of gray code. A gray code sequence must begin with 0.

For example, given n = 2, return [0,1,3,2]. Its gray code sequence is:

00 - 0
01 - 1
11 - 3
10 - 2

Note:
For a given n, a gray code sequence is not uniquely defined.

For example, [0,2,3,1] is also a valid gray code sequence according to the above definition.

For now, the judge is able to judge based on one instance of gray code sequence. Sorry about that.

方法一:观察格雷码的特点,发现每个比特都遵循0110的变化模式,但不同权重的比特,其变化周期不一样,与权重相关。

public class Solution {
    public List<Integer> grayCode(int n) {
        List<Integer> codes = new ArrayList<>(2<<(n-1));
        for(int i=0; i<Math.pow(2, n); i++) {
            int code = 0;
            for(int j=0; j<n; j++) {
                code += (((i>>(j+1))&1) ^ ((i>>j)&1)) << j;
                // code += ((i/(int)Math.pow(2,j+1)%2)^(i/(int)Math.pow(2,j)%2)) * (int)Math.pow(2,j);
            }
            codes.add(code);
        }
        return codes;
    }
}

方法二:根据变动的比特,发现可以用递归直接计算。

public class Solution {
    private List<Integer> codes;
    private int current;
    private void generate(int n) {
        for(int i=0; i<n; i++) {
            current ^= (1<<i);
            codes.add(current);
            if (i>0) generate(i);
        }
    }
    public List<Integer> grayCode(int n) {
        codes = new ArrayList<>(2<<n);
        current = 0;
        codes.add(current);
        generate(n);
        return codes;
    }
}

另一种递归实现:

public class Solution {
    private int generate(int prev, int n, List<Integer> codes) {
        for(int i=0; i<n; i++) {
            prev = prev ^ (1<<i);
            codes.add(prev);
            if (i>0) prev = generate(prev, i, codes);
        }
        return prev;
    }
    public List<Integer> grayCode(int n) {
        List<Integer> codes = new ArrayList<>();
        codes.add(0);
        generate(0, n, codes);
        return codes;
    }
}

另一种递归实现:

public class Solution {
    private int gray(int prev, int bit, List<Integer> result) {
        int gray = prev ^ (1 << bit);
        result.add(gray);
        for(int i = 0; i < bit; i++) {
            gray = gray(gray, i, result);
        }
        return gray;
    }
    public List<Integer> grayCode(int n) {
        List<Integer> result = new ArrayList<>();
        int gray = 0;
        result.add(gray);
        for(int i = 0; i < n; i++) {
            gray = gray(gray, i, result);
        }
        return result;
    }
}

方法三:将递归方式通过栈来实现。

public class Solution {
    public List<Integer> grayCode(int n) {
        List<Integer> codes = new ArrayList<>(2<<n);
        int current = 0;
        codes.add(current);
        int[] stack = new int[2<<n];
        int pos = 0;
        for(int i=n-1; i>=0; i--) stack[pos++] = i;
        while (pos > 0) {
            pos --;
            current ^= (1<<stack[pos]);
            codes.add(current);
            for(int i=stack[pos]-1; i>=0; i--) stack[pos++] = i;
        }
        return codes;
    }
}


### 解题思路 LeetCode89Gray Code 要求生成一个 n 位格雷码序列。格雷码是一种二进制编,其中相邻的两个数仅有一位二进制位不同。题目要求生成的序列需要满足以下条件: - 每个整数都在范围 [0, 2^n - 1] 内。 - 序列的第一个整数是 0。 - 每对相邻整数的二进制表示恰好一位不同。 - 首个和最后一个整数的二进制表示也恰好一位不同。 解决格雷编问题的关键在于理解其生成规律。一种常见的方法是基于递归或迭代的思想,通过逐步构建格雷码序列。 #### 方法一:直接公式法 通过观察格雷码的生成规律,可以发现格雷码的第 i 个数可以通过公式 i ^ (i >> 1) 得到。这种方法简单高效,适用于快速生成格雷码序列。 ```python class Solution: def grayCode(self, n: int) -> list: res = [] for i in range(1 << n): graycode = i ^ (i >> 1) res.append(graycode) return res ``` #### 方法二:递归法 通过递归的方式生成格雷码序列。假设已知 n-1 位的格雷码序列,可以通过将其镜像翻转并在前面加上 1 来生成 n 位的格雷码序列。具体实现如下: ```python class Solution: def grayCode(self, n: int) -> list: if n == 0: return [0] prev = self.grayCode(n - 1) # 镜像翻转并在前面加上 1 return prev + [x | (1 << (n - 1)) for x in reversed(prev)] ``` #### 方法三:回溯法 通过回溯的方式生成二进制字符串,并将其转换为十进制数。这种方法通过递归生成每一位的 0 和 1,并确保相邻的两个数仅有一位不同。 ```python class Solution: def grayCode(self, n: int) -> list: res = [] def backtrack(s, x): if len(s) == n: res.append(int(s, 2)) return if x == 0: backtrack(s + '0', 0) backtrack(s + '1', 1) else: backtrack(s + '1', 0) backtrack(s + '0', 1) backtrack('', 0) return res ``` ### 代实现 上述三种方法均可以用于实现格雷码序列。以下是完整代示例: #### 方法一:直接公式法 ```python class Solution: def grayCode(self, n: int) -> list: return [i ^ (i >> 1) for i in range(1 << n)] ``` #### 方法二:递归法 ```python class Solution: def grayCode(self, n: int) -> list: if n == 0: return [0] prev = self.grayCode(n - 1) return prev + [x | (1 << (n - 1)) for x in reversed(prev)] ``` #### 方法三:回溯法 ```python class Solution: def grayCode(self, n: int) -> list: res = [] def backtrack(s, x): if len(s) == n: res.append(int(s, 2)) return if x == 0: backtrack(s + '0', 0) backtrack(s + '1', 1) else: backtrack(s + '1', 0) backtrack(s + '0', 1) backtrack('', 0) return res ``` ### 总结 以上方法均能正确生成 n 位格雷码序列。直接公式法是最简单高效的方式,而递归法和回溯法则更直观地体现了格雷码的生成规律。根据具体需求,可以选择不同的方法实现。
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