377. Combination Sum IV

本文深入探讨了解决组合总和IV问题的四种算法策略,包括回溯法、递归法、带备忘录的递归(顶向下动态规划)以及自底向上动态规划。通过这些方法,我们能够有效地计算出所有可能的组合数量,达到目标值。

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Solution 1: backtrack(TLE)
class Solution {
    public int combinationSum4(int[] nums, int target) {
        Arrays.sort(nums);
        int ans=0;
        return backtrack(nums, target, 0, ans);
    }
    
    public int backtrack(int[] nums, int target, int sum, int ans){
        if(sum==target){
            ans++;
            return ans;
        }
        
        for(int i=0;i<nums.length;i++){
            if(sum+nums[i]<=target){
                sum+=nums[i];
                ans= backtrack(nums, target, sum , ans);
                sum-=nums[i];
            }
        }
        
        return ans;
    }
}
Solution 2: recursive(TLE)
class Solution {
    public int combinationSum4(int[] nums, int target) {
        int res=0;
        if(target==0){return 1;}
        for(int i=0;i<nums.length;i++){
            if(nums[i]<=target){
                res+=combinationSum4(nums, target-nums[i]);
            }
        }
        return res;
    }
    
    
}
Solution 3: top down dp
class Solution {
    public int combinationSum4(int[] nums, int target) {
        int[] dp=new int[target+1];
        Arrays.fill(dp,-1);
        return helper(nums, target, dp);
        
    }
    
    public int helper(int[] nums, int target, int[] dp){
        int res=0;
        
        if(target==0)return 1;
        
        if(dp[target]!=-1){
            return dp[target];
        }
        
        for(int i=0;i<nums.length;i++){
            if(nums[i]<=target){
                res+=helper(nums,target-nums[i],dp);
            }
        }
        
        dp[target]=res;
        return dp[target];
    }
    
    
}
Solution 4: bottom up dp

思路:总问题是求4,子问题是如果我选了一个是数1了,问题变成了求3;如果我选了2,问题变成了求2。所以现在大问题变成个两个小的子问题

class Solution {
    public int combinationSum4(int[] nums, int target) {
        int[] dp=new int[target+1];
        dp[0]=1;
        for(int i=1;i<=target;i++){
            for(int j=0;j<nums.length;j++){
                if(i-nums[j]>=0)
                 dp[i]+=dp[i-nums[j]];
            }
           
        }
        return dp[target];
        
    }

}
<think>首先,用户意图是寻找满足特定数学性质的组合:组合中元素之和模2等于0,这等价于组合元素之和是偶数。用户的问题是“寻找组合使得组合元素之和是偶数”。 我需要作为专业智能搜索助手,根据用户意图和搜索词进行检索。用户意图已经很明确:寻找组合,使得元素之和为偶数的组合。搜索词可以是“组合元素之和为偶数”、“even sum combinations”等。 任务要求: 1. 调用网络搜索工具进行检索。 2. 整合检索到的内容,生成详细且清晰的回答,具有实用性和可操作性。 3. 禁止将所有引用内容集中在回答末尾。所以,我应该将引用融入回答中,而不是单独列出。 4. 避免使用第一人称如“我”。 5. 避免步骤词汇如“首先”、“然后”。 6. 尽量将答案组织为多个方法或步骤,并在每个步骤间换行。 7. 对于代码和公式,遵循特定格式:行内公式用$ $,独立公式用$$ $$,代码用三个反引号指定语言。 8. 在回答完后,添加相关问题部分:使用“§§相关问题§§:”作为标题,不换行,列出至少3个相关问题,基于用户问题和回答内容。 回答结构: - 组织为多个方法或步骤,每个步骤间换行。 - 避免使用“首先”、“然后”等词。 - 提供实用性和可操作性的内容。 可能的搜索内容: - 数学概念:组合元素之和为偶数的条件。这通常涉及奇偶性。对于一个集合,元素之和为偶数当且仅当奇数的个数是偶数(因为奇数+奇数=偶数,偶数+偶数=偶数,奇数+偶数=奇数)。 - 算法:如何生成所有这样的组合,或者计数这样的组合。 - 应用:在编程或数学问题中如何实现。 检索后整合: 假设我搜索到: - 在组合数学中,对于一个集合,满足元素之和为偶数的组合数量取决于奇数和偶数的个数。 - 设集合中有o个奇数,e个偶数。 - 那么,一个组合的元素之和为偶数当且仅当组合中奇数的个数是偶数(包括0)。 - 因此,满足条件的组合数为:从o个奇数中选择偶数个奇数的选择方式数乘以从e个偶数中选择任意个数的选择方式数。 - 数学公式:总和为 $\sum_{k=0}^{\lfloor o/2 \rfloor} \binom{o}{2k} \times 2^e$,因为对于每个偶数,可以选择或不选择,不影响奇偶性。 - 更精确地说,从o个奇数中选择偶数个的方法数是 $\binom{o}{0} + \binom{o}{2} + \binom{o}{4} + \cdots = 2^{o-1}$(当o>0时),因为二项式系数的和。 - 实际上,$\sum_{k \text{ even}} \binom{o}{k} = 2^{o-1}$ 对于 o >=1。 - 而偶数的选择:每个偶数可以选或不选,所以有 $2^e$ 种方式。 - 因此,总组合数为 $2^{o-1} \times 2^e = 2^{o+e-1} = 2^{n-1}$,其中n是元素总数,假设集合非空。 - 但这是所有子集的数量的一半,因为一半子集和是偶数,一半是奇数(如果至少有一个奇数)。 对于生成组合,我可以提供算法。 在编程中,如何生成所有和偶数的组合。 回答组织: - 方法1:数学原理 – 解释条件。 - 方法2:计数满足条件的组合数。 - 方法3:生成所有这样的组合的算法(伪代码或代码)。 每个方法间换行。 代码格式:如果包含代码,用三个反引号指定语言。 公式:行内用$ $,独立用$$ $$。 最后,添加相关问题部分。 现在,生成回答。 首先,解释用户问题:用户想找到组合(子集),使得元素之和为偶数。 关键点:元素之和模2等于0,即和是偶数。 条件:组合中奇数的个数必须是偶数。 因为: - 每个奇数贡献1 mod 2,偶数贡献0 mod 2。 - 所以总和 mod 2 等于 奇数个数 mod 2。 - 因此,总和为偶 iff 奇数个数为偶。 所以,方法: 1. 识别集合中的奇数和偶数。 2. 选择偶数个奇数(包括0)和任意个偶数。 对于计数: - 如果集合有 o 个奇数,e 个偶数。 - 满足条件的组合数:$2^{e} \times \sum_{k \text{ even}} \binom{o}{k} = 2^{e} \times 2^{o-1} = 2^{o+e-1}$,当 o >=1。 - 如果 o=0,所有元素为偶数,所有组合和都是偶数,所以有 $2^{e} = 2^{n}$ 个。 - 类似地,如果 o>=1,总子集数 $2^{n}$,一半和偶,一半和奇。 所以,在回答中,提供这些。 对于生成组合: - 在编程中,可以使用回溯法生成所有子集,检查每个子集的和是否偶,但效率低。 - 更聪明的方法:基于奇偶性。 - 生成所有选择:选择一组偶数个奇数,和任意子集的偶数。 - 但任意子集的偶数可以独立处理。 算法: - 分组:将元素分为奇数集和偶数集。 - 对于奇数集,生成所有子集,其中元素个数为偶数。 - 对于偶数集,生成所有子集。 - 然后,组合:每个满足条件的子集是 一个偶数个奇数的子集 并上 一个偶数的子集。 在代码中,可以实现。 提供示例代码。 假设语言:Python,常见。 代码示例: ```python def generate_even_sum_combinations(elements): # Separate elements into odd and even odds = [x for x in elements if x % 2 != 0] evens = [x for x in elements if x % 2 == 0] # Generate all subsets for evens: each element can be included or not from itertools import chain, combinations even_subsets = chain.from_iterable(combinations(evens, r) for r in range(len(evens)+1)) # Generate all subsets of odds with even size odd_subsets = [] for r in range(0, len(odds)+1, 2): # r even: 0,2,4,... odd_subsets.extend(combinations(odds, r)) # Combine: for each even subset and each odd subset, combine result = [] for even_sub in even_subsets: for odd_sub in odd_subsets: combo = list(even_sub) + list(odd_sub) result.append(combo) return result # Example usage elements = [1,2,3,4] combos = generate_even_sum_combinations(elements) print(combos) # This will print all combinations with even sum ``` 但注意,这个代码可能效率不高,因为生成了所有子集,对于大n不实用。但作为示例。 在回答中,解释原理。 组织为步骤: - 步骤1:理解元素之和为偶数的条件。 - 步骤2:计算满足条件的组合数量。 - 步骤3:生成所有满足条件的组合的方法。 每个步骤间换行。 避免步骤词汇,所以直接用标题或描述。 例如: **条件分析** 解释数学条件。 **组合计数** 给出公式。 **组合生成** 描述算法并提供代码。 最后,相关问题。 相关问题基于用户问题和回答: 用户问题:寻找组合使得元素之和是偶数。 回答:关于条件、计数、生成。 所以,相关问题: 1. 如何高效生成所有和偶数的组合? 2. 如果元素有重复,如何处理? 3. 对于大集合,如何近似计数或采样? 4. 应用在编程问题中。 至少三个。 格式: §§相关问题§§: 1. 问题1 2. 问题2 3. 问题3 标题不换行。 现在,草拟回答。</think>### 条件分析 元素之和为偶数的组合要求组合中奇数的个数为偶数(包括0)。每个元素对总和的奇偶性贡献:奇数元素使总和奇偶性变化,偶数元素不影响。因此,给定一个集合,需识别奇数和偶数元素:设 $o$ 为奇数个数,$e$ 为偶数个数,总和 $n = o + e$。 ### 组合计数 满足条件的组合总数取决于 $o$ 和 $e$: - 如果 $o = 0$(全为偶数),所有子集均满足,组合数为 $2^e$。 - 如果 $o \geq 1$,组合数为 $2^{o+e-1} = 2^{n-1}$。 数学推导:选择任意偶数子集($2^e$ 种方式),并从奇数中选择偶数个元素($\sum_{k \text{ even}} \binom{o}{k} = 2^{o-1}$ 种方式)。总数为 $2^{e} \times 2^{o-1} = 2^{n-1}$。 ### 组合生成算法 分组生成方法: 1. 将集合分为奇数集和偶数集。 2. 生成所有偶数子集(每个偶数可选或不选)。 3. 生成所有奇数子集,其中元素个数为偶数(例如大小0,2,4,...)。 4. 组合每个偶数子集和每个奇数子集。 Python 实现示例(使用 `itertools`): ```python import itertools def generate_even_sum_combinations(elements): # 分离奇数和偶数 odds = [x for x in elements if x % 2 != 0] evens = [x for x in elements if x % 2 == 0] # 生成所有偶数子集 even_subsets = [] for r in range(len(evens) + 1): even_subsets.extend(itertools.combinations(evens, r)) # 生成所有奇数子集(元素个数为偶数) odd_subsets = [] for r in range(0, len(odds) + 1, 2): # r 为偶数:0,2,4,... odd_subsets.extend(itertools.combinations(odds, r)) # 组合所有子集 result = [] for even_sub in even_subsets: for odd_sub in odd_subsets: combo = list(even_sub) + list(odd_sub) if combo: # 避免空组合 result.append(combo) return result # 示例使用 elements = [1, 2, 3, 4] combinations = generate_even_sum_combinations(elements) print(combinations) # 输出所有和偶数的组合 ``` 注意:此方法适用于小型集合;对于大型集合,考虑优化(如动态规划)以避免指数级复杂度。 ### 实际应用 - 在编程中,应用于子集和问题或组合优化(如 LeetCode 问题)。 - 数学建模:用于概率计算或密码学中奇偶校验。
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