台阶问题

本文探讨了给定楼梯级数和最大步数时的不同上楼方案数量的计算问题。提供了递归与迭代两种算法实现,并详细解释了背后的数学原理。

该程序给出了使用递归方式以及使用迭代方式两种算法实现。该两种实现都基于如下推导:

  • m = n, n != 1 时,f(n) = 2(n-1)

f(n) 为 二项式 (a+b)n 展开式各项系数之和,推导如下:
设楼梯有 n 级,某人一步最多迈 m(m=n) 级,使用 隔板法 (共 n-1 个空位)可得 f(n) = ∑n=1 n Cn n-1 = 2n-1

  • m <=n 时,f(n) = 2*f(n-1) - f(n-m-1)

f(n) = f(n-1) + f(n-2) + ... + f(n-m) 代入 n 后的递推式,推导如下:
归纳可得 f(n) 为先上 1 步、2 步、...m 步走法只和:f(n) = f(n-1) + f(n-2) + ... + f(n-m)
逐 步代入展开:f(n) = (f(n-2) + f(n-3) + ... + f(n-m-1))+ f(n-2) + ... + f(n-m) ,即(展开 f(n-1)... => f(n) = 2*f(n-1) - f(n-m-1)

f(n) 可根据 m 分三类情况求解:

  • m = 1 时,有且仅有 1 种走法,f(n)=1
  • m <= n 时,f(n) = 2*(f(n-1) - f(n-m-1) ,特别地,
  • m = n 时,f(n) = 2n-1

package steps;

 

/**

  * 台阶问题:

  * 某楼梯有 n(n>=1) 级台阶,某人一步最多迈 m(n>=m>=1) 级,

  * 求有多少种不同的上楼方案 f(n)

  *

  *

  *   该程序给出了{@linkplain #f(int) 使用递归方式} 以及{@linkplain #f_(int)

  *   使用迭代方式} 两种算法实现。该两种实现都基于如下推导:

  *  

  *    

·         m = n, n != 1 时,f(n) = 2(n-1)

 

  *     f(n) 为 二项式 (a+b)n 展开式各项系数之和,推导如下:

  *     设楼梯有 n 级,某人一步最多迈 m(m=n) 级,使用 隔板法 (共 n-1 个空位)可得

  *     f(n) = ∑n=1 n Cn n-1 = 2n-1

  *    

·         m <=n 时,f(n) = 2*f(n-1) - f(n-m-1)

 

  *     f(n) = f(n-1) + f(n-2) + ... + f(n-m) 代入 n 后的递推式,推导如下:

  *     归纳可得 f(n) 为先上 1 步、2 步、...m 步走法只和:f(n) = f(n-1) + f(n-2)

  *     + ... + f(n-m)
逐步代入展开:f(n) = (f(n-2) + f(n-3) + ...

  *     + f(n-m-1))+ f(n-2) + ... + f(n-m) ,即(展开 f(n-1)... => f(n) = 2*f(n-1)

  *     - f(n-m-1)

  *  

  * f(n) 可根据 m 分三类情况求解:

  *    

·         m = 1 时,有且仅有 1 种走法,f(n)=1

  *    

·         m <= n 时,f(n) = 2*(f(n-1) - f(n-m-1) ,特别地,

  *    

·         m = n 时,f(n) = 2n-1

  *  

 

  *

  *

  * @author Liang Ding

  * @version 1.0.0.2, Mar 14, 2011

  */

public final class Main {

 

    /**

     * 一步最多迈 {@value #M} 级。

     */

    private static final int M = 20;

    /**

     * 楼梯共有 {@value #N} 级台阶。

     */

    private static final int N = 30;

    /**

     * 保存中间计算结果 f(0)...f(N)

     */

    private static final long[] F = new long[N + 1];

 

    /**

     * 检查给定的 {@linkplain #N N} {@linkplain #M M} 是否满足:

     *

 

     *  

·         N >= 1

     *  

·         M >= 1

     *  

·         N >= M

     *

     */

    private static void check() {

        if (N < 1) {

            throw new IllegalArgumentException("N must larger or equal than 1");

        }

 

        if (M < 1) {

            throw new IllegalArgumentException("M must larger or equal than 1");

        }

 

        if (M > N) {

            throw new IllegalArgumentException("N must larger or equal than M");

        }

    }

 

    /**

     * 主程序入口。

     *

     * @param args 指定的参数(将被忽略)

     */

    public static void main(final String[] args) {

        check();

 

        if (1 == M) {

            // 有且仅有 1 种走法

            System.out.println("f(n)=1");

            return;

        }

 

        init();

        long start = System.currentTimeMillis();

        f(N);

        long used = System.currentTimeMillis() - start;

        System.out.println("Recursively, f(n)=" + F[N] + ", used " + used

                           + " millis");

 

        init();

        long start2 = System.currentTimeMillis();

        f_(N);

        long used2 = System.currentTimeMillis() - start2;

        System.out.println("Iteratively, f(n)=" + F[N] + ", used " + used2

                           + " millis");

    }

 

    /**

     * 初始化 F[0]...F[M]

     */

    private static void init() {

        F[0] = 1;

        F[1] = 1;

        F[2] = 2;

 

        for (int n = 3; n <= M; n++) {

            F[n] = 1 << (n - 1);

        }

    }

 

    /**

     * 迭代求 f(n) ,计算结果保存在 F[n] 中。

     *

     * 时间复杂度:

     *  

     *    

·         最坏 O(n) ,当 m == 1

     *    

·         最好 O(1) ,当 n == M

     *

     * @param n 指定的 n

     */

    public static void f_(final int n) {

        for (int i = 3; i <= N; i++) {

            if (i <= M) {

                continue; // F[0]...F[M] 已在初始化中求出。

            }

 

            // 开始迭代求解, f(n)= 2 * f(n-1) - f(n-M-1)

            F[i] = 2 * F[i - 1] - F[i - M - 1];

        }

    }

 

    /**

     * 递归求 f(n) ,计算结果保存在 F[n] 中,时间复杂度为 O(2^n)

     *

     * @param n 指定的 n

     * @return F[n]

     */

    public static long f(final int n) {

        // F[0]...F[M] 已在初始化中求出。

        if (0 == n || 1 == n) {

            return F[0];

        }

 

        if (2 == n) {

            return F[2];

        }

 

        if (M >= n) {

            return F[n];

        }

 

        // 开始递归求解, f(n= 2 * f(n-1) - f(n-M-1)

        F[n] = 2 * f(n - 1) - f(n - M - 1);

 

        return F[n];

    }

 

    private Main() {

    }

}

足见,程序员绝对需要一定的数学知识。

### 动态规划在台阶问题中的应用 动态规划是一种通过分解子问题来解决复杂问题的方法[^1]。台阶问题通常可以通过动态规划的思想进行求解,其核心在于将问题分解为更小的子问题,并通过递推关系找到最终解。 #### 问题描述 台阶问题通常可以描述为:给定一个有 `n` 级台阶的楼梯,每次可以选择走 1 级或 2 级台阶,问有多少种不同的方式可以走到第 `n` 级台阶。 #### 解题思路 为了计算到达第 `n` 级台阶的不同方式,可以定义一个数组 `dp`,其中 `dp[i]` 表示到达第 `i` 级台阶的不同方法数。根据题目条件,可以得出以下递推关系: - 如果从第 `i-1` 级台阶1 步到达第 `i` 级台阶,则有 `dp[i-1]` 种方法。 - 如果从第 `i-2` 级台阶走 2 步到达第 `i` 级台阶,则有 `dp[i-2]` 种方法。 因此,递推公式为: ```plaintext dp[i] = dp[i-1] + dp[i-2] ``` 边界条件为: - 当 `n=0` 或 `n=1` 时,只有一种方法到达目标台阶,即 `dp[0] = 1` 和 `dp[1] = 1`。 #### 实现代码 以下是基于动态规划思想的 Python 实现代码: ```python def climb_stairs(n): if n == 0 or n == 1: return 1 dp = [0] * (n + 1) dp[0], dp[1] = 1, 1 for i in range(2, n + 1): dp[i] = dp[i - 1] + dp[i - 2] return dp[n] # 示例调用 n = 5 print(f"共有 {climb_stairs(n)} 种方法到达第 {n} 级台阶") ``` 上述代码中,`dp` 数组用于存储到达每一级台阶的方法数,最终返回 `dp[n]` 即为到达第 `n` 级台阶的所有可能方法数。 #### 优化空间复杂度 由于递推公式仅依赖于前两个状态,因此可以通过两个变量代替整个数组,从而将空间复杂度降低到 O(1)。 ```python def climb_stairs_optimized(n): if n == 0 or n == 1: return 1 prev1, prev2 = 1, 1 for i in range(2, n + 1): current = prev1 + prev2 prev2 = prev1 prev1 = current return prev1 # 示例调用 n = 5 print(f"共有 {climb_stairs_optimized(n)} 种方法到达第 {n} 级台阶") ``` #### 总结 通过动态规划的方法,台阶问题可以被高效地解决。这种方法不仅适用于简单的台阶问题,还可以扩展到更多复杂的场景,例如允许每次走多步台阶或增加额外约束条件[^1]。
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