【力扣】剑指 Offer II 092. 翻转字符

题目

解题思路

一个很暴力的想法，在满足单调递增的前提下，使每一位分别取 1 或 0，去看看哪个结果小。

递归函数定义int dp(StringBuilder sb, int ind, int pre) sb是字符串，ind 是字符串当前位，pre 是字符串前一位（0或1）

dp函数表示：从字符串当前位ind开始到字符串结尾，这样一个子字符串，变为单调递增所需要翻转的最小次数。

因此题目所求就是 dp(sb, 0, 0)。第0位的前一位为0。

具体递归入口有四种情况，根据前一位是0或1 和 当前位是0或1来讨论，即

当前位为0：
    前一位为0：

    前一位为1：

当前位为1：
    前一位为0：

    前一位为1：

一开始递归函数定义不明确，导致无法形成重叠子问题，也就无法用备忘录来优化。
在考虑备忘录优化的时候，需要明确备忘录的每一维分别代表什么。参考了这位大佬的题解Java 递归+二维DP+空间优化。

代码

class Solution {
    int[][] memo;  // 备忘录
    public int minFlipsMonoIncr(String s) {
        int n = s.length();
        memo = new int[n + 1][2];
        for(int[] arr : memo){
            Arrays.fill(arr, -1);
        }
        return dp(s.toCharArray(), 0, 0);
    }

    int dp(char[] s, int ind, int pre){  // sb是字符串，ind 是字符串当前位，pre 是前一位
        if(ind == s.length){  // 到字符串结尾了，需要改变的字符为0，返回值为0
            return 0;
        }
        if(memo[ind][pre] != -1){
            return memo[ind][pre];
        }

        int res = 0;

        if(s[ind] == '0'){ // 当前位为0
            if(pre == 0){ // 前一位为 0
                int a = dp(s, ind + 1, s[ind] - '0'); // 保持0不变
                s[ind] = '1';
                int b = dp(s, ind + 1, s[ind] - '0');  // 把当前0变为1，翻转次数加一
                s[ind] = '0';
                res += Math.min(a, b);  // 取两者中最小的情况
            }else if(pre == 1){ // 前一位为 1
                s[ind] = '1';
                res += dp(s, ind + 1, s[ind] - '0') + 1;  // 前一位为1，当前位为0，必须变成1
                s[ind] = '0';
            }
        }else if(s[ind] == '1'){  // 当前位为1
            if(pre == 0){ // 前一位为 0
                int a = dp(s, ind + 1, s[ind] - '0'); // 保持1不变
                s[ind] = '0';
                int b = dp(s, ind + 1, s[ind] - '0') + 1; // 把当前1变为0，翻转次数加一
                s[ind] = '1';
                res += Math.min(a, b); // 取两者中最小的情况
            }else if(pre == 1){
                res += dp(s, ind + 1, s[ind] - '0'); // 前一位为1，当前位为1，当前1必须保持不变
            }
        }

        memo[ind][pre] = res;
        return res;
    }
}

优化后

class Solution {
    int[][] memo;  // 备忘录
    public int minFlipsMonoIncr(String s) {
        int n = s.length();
        memo = new int[n + 1][2];
        for(int[] arr : memo){
            Arrays.fill(arr, -1);
        }
        return dp(s.toCharArray(), 0, 0);
    }

    int dp(char[] s, int ind, int pre){  // sb是字符串，ind 是字符串当前位，pre 是前一位
        if(ind == s.length){  // 到字符串结尾了，需要改变的字符为0，返回值为0
            return 0;
        }
        if(memo[ind][pre] != -1){
            return memo[ind][pre];
        }

        int res = 0;

        if(s[ind] == '0'){ // 当前位为0
            if(pre == 0){ // 前一位为 0
                // 保持0不变;
                // 把当前0变为1，翻转次数加一;
                // 取两者中较小的情况
                res = Math.min(dp(s, ind + 1, 0), dp(s, ind + 1, 1) + 1);
            }else if(pre == 1){ // 前一位为 1
                res = dp(s, ind + 1, 1) + 1;  // 前一位为1，当前位为0，必须变成1
            }
        }else if(s[ind] == '1'){  // 当前位为1
            if(pre == 0){ // 前一位为 0
                // 保持1不变;
                // 把当前1变为0，翻转次数加一;
                // 取两者中较小的情况
                res = Math.min(dp(s, ind + 1, 1), dp(s, ind + 1, 0) + 1);
            }else if(pre == 1){
                res = dp(s, ind + 1, 1); // 前一位为1，当前位为1，当前1必须保持不变
            }
        }

        memo[ind][pre] = res;
        return res;
    }
}

一开始写的时候有个问题，就是在递归函数的参数中记录结果，递归到边界的时候得到结果，这样就是一个纯递归的思路。并没有转成子问题的形式，因此我后续进行备忘录优化始终无法成功。原因还是递归函数定义有问题。

纯递归的代码

class Solution {
    int[][][] memo;
    public int minFlipsMonoIncr(String s) {
        StringBuilder sb = new StringBuilder(s);
        int n = s.length();
        memo = new int[n + 1][2][2];
        for(int[][] arr : memo){
            for(int[] a : arr)
                Arrays.fill(a, -1);
        }
        return dp(sb, 0, 0,0 ,sb.charAt(0) - '0');
    }

    int dp(StringBuilder sb, int ind, int cnt, int pre, int now){
        if(ind == sb.length()){
            return cnt;
        }
        if(memo[ind][pre][now] != -1){
            return memo[ind][pre][now];
        }

        int res = 0;

        if(sb.charAt(ind) == '0'){
            if(ind - 1 >= 0){
                if(sb.charAt(ind - 1) == '0'){
                    int a = dp(sb, ind + 1, cnt, sb.charAt(ind - 1) - '0',0);
                    sb.setCharAt(ind, '1');
                    int b = dp(sb, ind + 1, cnt + 1, sb.charAt(ind - 1) - '0',1);
                    sb.setCharAt(ind, '0');
                    res += Math.min(a, b);
                }else{
                    sb.setCharAt(ind, '1');
                    res += dp(sb, ind + 1, cnt + 1, sb.charAt(ind - 1) - '0',1);
                    sb.setCharAt(ind, '0');
                }
            }else{
                int a = dp(sb, ind + 1, cnt, 0,0);
                sb.setCharAt(ind, '1');
                int b = dp(sb, ind + 1, cnt + 1, 0,1);
                sb.setCharAt(ind, '0');
                res += Math.min(a, b);
            }

        }else{
            if(ind - 1 >= 0){
                if(sb.charAt(ind - 1) == '0'){
                    int a = dp(sb, ind + 1, cnt, sb.charAt(ind - 1) - '0',1);
                    sb.setCharAt(ind, '0');
                    int b = dp(sb, ind + 1, cnt + 1, sb.charAt(ind - 1) - '0',0);
                    sb.setCharAt(ind, '1');
                    res += Math.min(a, b);
                }else{
                    res += dp(sb, ind + 1, cnt, sb.charAt(ind - 1) - '0',1);
                }
            }else{
                int a = dp(sb, ind + 1, cnt, 0,1);
                sb.setCharAt(ind, '0');
                int b = dp(sb, ind + 1, cnt + 1, 0,0);
                sb.setCharAt(ind, '1');
                res += Math.min(a, b);
            }
        }

        memo[ind][pre][now] = res;
        return res;
    }
}

其中cnt就是最后的结果，这样可以通过数据量小的问题，但数据量大的问题必定会超时，而且无法利用记忆化搜索优化。

总结

不管是不是动态规划问题，首先写出递归的暴力解。如果超时，考虑有没有重叠子问题，此时就要注意递归函数的定义，递归函数的返回值应该是子问题的解。可能一开始结果保存在函数参数中是比较好想的。如果一开始写的递归函数是结果在函数参数里的形式，要考虑将结果定义在返回值中，此时需要明确递归函数的定义。