【数据结构与算法】股票系列通解
121. 买卖股票的最佳时机
给定一个数组 prices ,它的第 i 个元素 prices[i] 表示一支给定股票第 i 天的价格。
你只能选择 某一天 买入这只股票,并选择在 未来的某一个不同的日子 卖出该股票。设计一个算法来计算你所能获取的最大利润。
返回你可以从这笔交易中获取的最大利润。如果你不能获取任何利润,返回 0 。
示例 1:
输入:[7,1,5,3,6,4]
输出:5
解释:在第 2 天(股票价格 = 1)的时候买入,在第 5 天(股票价格 = 6)的时候卖出,最大利润 = 6-1 = 5 。
注意利润不能是 7-1 = 6, 因为卖出价格需要大于买入价格;同时,你不能在买入前卖出股票。
示例 2:
输入:prices = [7,6,4,3,1]
输出:0
解释:在这种情况下, 没有交易完成, 所以最大利润为 0。
提示:
1 <= prices.length <= 105
0 <= prices[i] <= 104
普通 dp
:
-
一般状态:
dp[i][0]
:第i
天的利润,0
表示不持有股票(从未持有过,或已卖出)dp[i][1]
:第i
天的利润,1
表示正在持有股票(之前也持有,或第i
天才买入股票)
-
初始状态
dp[0][0] = 0
:第0
天不持有股票,之前也没有买过,利润为0
dp[0][1] = -prices[0]
:第0
天持有股票,之前没有买过,是第0
天才买入的,利润为-prices[0]
,及当日股票购入的价格
-
状态转移方程
dp[i][0] = Math.max(dp[i - 1][0], dp[i - 1][1] + prices[i])
:第i
天没有股票,说明要么第i-1
天也没有股票并且第i
天没有任何操作,要么第i-1
天有股票但是第i
天卖出了。dp[i][1] = Math.max(dp[i - 1][1], - prices[i])
:第i
天持有股票,说明要么第i-1
天也持有股票并且第i
天没有任何操作,要么第i-1
天没有股票但是第i
天买入。(这里注意不能写成dp[i][1] = Math.max(dp[i - 1][1], dp[i-1][0] - prices[i])
,因为该题只能买卖一次,买之前的利润都为 0)
class Solution {
public int maxProfit(int[] prices) {
int n = prices.length;
int dp[][] = new int[n][2];
dp[0][0] = 0;
dp[0][1] = -prices[0];
for(int i = 1; i < n; i++) {
dp[i][0] = Math.max(dp[i - 1][0], dp[i - 1][1] + prices[i]);
dp[i][1] = Math.max(dp[i - 1][1], - prices[i]);
}
return dp[n - 1][0];
}
}
时间复杂度 O(n)
,空间复杂度 O(n)
状态压缩:
第 i
天的最大收益只和第 i - 1
天的最大收益相关,空间复杂度可以降到 O(1)
。去掉一维即可。
class Solution {
public int maxProfit(int[] prices) {
int n = prices.length;
int dp[] = new int[2];
dp[0] = 0;
dp[1] = -prices[0];
for(int i = 1; i < n; i++) {
dp[0] = Math.max(dp[0], dp[1] + prices[i]);
dp[1] = Math.max(dp[1], - prices[i]);
}
return dp[0];
}
}
时间复杂度 O(n)
,空间复杂度 O(1)
单调性的角度
用一个变量记录一个历史最低价格 minprice
,我们就可以假设自己的股票是在那天买的。那么我们在第 i
天卖出股票能得到的利润就是 prices[i] - minprice
public class Solution {
public int maxProfit(int prices[]) {
int minprice = Integer.MAX_VALUE;
int maxprofit = 0;
for (int i = 0; i < prices.length; i++) {
if (prices[i] < minprice) {
minprice = prices[i];
} else if (prices[i] - minprice > maxprofit) {
maxprofit = prices[i] - minprice;
}
}
return maxprofit;
}
}
时间复杂度 O(n)
,空间复杂度 O(1)
122. 买卖股票的最佳时机 II
给定一个数组 prices ,其中 prices[i] 表示股票第 i 天的价格。
在每一天,你可能会决定购买和/或出售股票。你在任何时候 最多 只能持有 一股 股票。你也可以购买它,然后在 同一天 出售。
返回 你能获得的 最大 利润 。
示例 1:
输入: prices = [7,1,5,3,6,4]
输出: 7
解释: 在第 2 天(股票价格 = 1)的时候买入,在第 3 天(股票价格 = 5)的时候卖出, 这笔交易所能获得利润 = 5-1 = 4 。
随后,在第 4 天(股票价格 = 3)的时候买入,在第 5 天(股票价格 = 6)的时候卖出, 这笔交易所能获得利润 = 6-3 = 3 。
示例 2:
输入: prices = [1,2,3,4,5]
输出: 4
解释: 在第 1 天(股票价格 = 1)的时候买入,在第 5 天 (股票价格 = 5)的时候卖出, 这笔交易所能获得利润 = 5-1 = 4 。
注意你不能在第 1 天和第 2 天接连购买股票,之后再将它们卖出。因为这样属于同时参与了多笔交易,你必须在再次购买前出售掉之前的股票。
示例 3:
输入: prices = [7,6,4,3,1]
输出: 0
解释: 在这种情况下, 没有交易完成, 所以最大利润为 0。
提示:
1 <= prices.length <= 3 * 104
0 <= prices[i] <= 104
普通 dp
:
-
一般状态:
dp[i][0]
:第i
天的利润,0
表示不持有股票(从未持有过,或已卖出)dp[i][1]
:第i
天的利润,1
表示正在持有股票(之前也持有,或第i
天才买入股票)
-
初始状态
dp[0][0] = 0
:第0
天不持有股票,之前也没有买过,利润为0
dp[0][1] = -prices[0]
:第0
天持有股票,之前没有买过,是第0
天才买入的,利润为-prices[0]
,及当日股票购入的价格
-
状态转移方程
dp[i][0] = Math.max(dp[i - 1][0], dp[i - 1][1] + prices[i])
:第i
天没有股票,说明要么第i-1
天也没有股票并且第i
天没有任何操作,要么第i-1
天有股票但是第i
天卖出了。dp[i][1] = Math.max(dp[i - 1][1], dp[i - 1][0] - prices[i])
:第i
天持有股票,说明要么第i-1
天也持有股票并且第i
天没有任何操作,要么第i-1
天没有股票但是第i
天买入。
class Solution {
public int maxProfit(int[] prices) {
int n = prices.length;
int dp[][] = new int[n][2];
dp[0][0] = 0;
dp[0][1] = -prices[0];
for(int i = 1; i < n; i++) {
dp[i][0] = Math.max(dp[i - 1][0], dp[i - 1][1] + prices[i]);
dp[i][1] = Math.max(dp[i - 1][1], dp[i - 1][0] - prices[i]);
}
return dp[n - 1][0];
}
}
时间复杂度 O(n)
,空间复杂度 O(n)
状态压缩:
第 i
天的最大收益只和第 i - 1
天的最大收益相关,空间复杂度可以降到 O(1)
。去掉一维即可。
class Solution {
public int maxProfit(int[] prices) {
int n = prices.length;
int dp[] = new int[2];
dp[0] = 0;
dp[1] = -prices[0];
for(int i = 1; i < n; i++) {
dp[0] = Math.max(dp[0], dp[1] + prices[i]);
dp[1] = Math.max(dp[1], dp[0] - prices[i]);
}
return dp[0];
}
}
时间复杂度 O(n)
,空间复杂度 O(1)
单调性
关键词是 不限制次数
,一个处理方法就是只要后一天股票价格高于前一天,那就在前一天买进,后一天卖出,对所有利润求和得到总利润。
转化成函数中求所有单独递增段的增加值的总和。
class Solution {
public int maxProfit(int[] prices) {
int ans = 0;
for(int i = 0; i < prices.length - 1; i++) {
if(prices[i] < prices[i + 1]) {
ans += prices[i + 1] - prices[i];
}
}
return ans;
}
}
时间复杂度 O(n),空间复杂度
O(1)`
123. 买卖股票的最佳时机 III
给定一个数组,它的第 i 个元素是一支给定的股票在第 i 天的价格。
设计一个算法来计算你所能获取的最大利润。你最多可以完成 两笔 交易。
注意:你不能同时参与多笔交易(你必须在再次购买前出售掉之前的股票)。
示例 1:
输入:prices = [3,3,5,0,0,3,1,4]
输出:6
解释:在第 4 天(股票价格 = 0)的时候买入,在第 6 天(股票价格 = 3)的时候卖出,这笔交易所能获得利润 = 3-0 = 3 。
随后,在第 7 天(股票价格 = 1)的时候买入,在第 8 天 (股票价格 = 4)的时候卖出,这笔交易所能获得利润 = 4-1 = 3 。
示例 2:
输入:prices = [1,2,3,4,5]
输出:4
解释:在第 1 天(股票价格 = 1)的时候买入,在第 5 天 (股票价格 = 5)的时候卖出, 这笔交易所能获得利润 = 5-1 = 4 。
注意你不能在第 1 天和第 2 天接连购买股票,之后再将它们卖出。
因为这样属于同时参与了多笔交易,你必须在再次购买前出售掉之前的股票。
示例 3:
输入:prices = [7,6,4,3,1]
输出:0
解释:在这个情况下, 没有交易完成, 所以最大利润为 0。
示例 4:
输入:prices = [1]
输出:0
提示:
1 <= prices.length <= 105
0 <= prices[i] <= 105
普通 dp
-
一般状态:
dp[i][k][0]
:第i
天的利润,且第i
天没有股票(第i - 1
天也没有,但是第i
天没有任何操作;或者第i - 1
天有,但是在第i
天卖出了),k
表示第i
天进行的最大交易次数dp[i][k][1]
:第i
天的利润,且第i
天有股票(第i - 1
天也有,但是第i
天没有任何操作;或者第i - 1
天没有,但是在第i
天买入了),k
表示第i
天进行的最大交易次数
-
初始状态
dp[0][1][0] = 0
:第0
天不持有股票,之前也没有买过,利润为0
,最大交易次数为1
dp[0][1][1] = -prices[0]
:第0
天持有股票,之前没有买过,是第0
天才买入的,利润为-prices[0]
,及当日股票购入的价格,最大交易次数为1
dp[0][2][0] = 0
:第0
天不持有股票,之前也没有买过,利润为0
,最大交易次数为2
dp[0][2][1] = -prices[0]
:第0
天持有股票,之前没有买过,是第0
天才买入的,利润为-prices[0]
,及当日股票购入的价格,最大交易次数为2
-
状态转移方程
dp[i][2][0] = Math.max(dp[i - 1][2][0], dp[i - 1][2][1] + prices[i])
:第i
天没有股票,说明要么第i-1
天也没有股票并且第i
天没有任何操作,要么第i-1
天有股票但是第i
天卖出了。dp[i][2][1] = Math.max(dp[i - 1][2][1], dp[i - 1][1][0] - prices[i])
:第i
天持有股票,说明要么第i-1
天也持有股票并且第i
天没有任何操作,要么第i-1
天没有股票但是第i
天买入,第i - 1
天的最大交易次数比第i
天的最大交易次数少1
。dp[i][1][0] = Math.max(dp[i - 1][1][0], dp[i - 1][1][1] + prices[i])
:第i
天没有股票,说明要么第i-1
天也没有股票并且第i
天没有任何操作,要么第i-1
天有股票但是第i
天卖出了。dp[i][1][1] = Math.max(dp[i - 1][1][1], dp[i - 1][0][0] - prices[i])
:第i
天持有股票,说明要么第i-1
天也持有股票并且第i
天没有任何操作,要么第i-1
天没有股票但是第i
天买入,第i - 1
天的最大交易次数比第i
天的最大交易次数少1
。
class Solution {
public int maxProfit(int[] prices) {
int n = prices.length;
int[][][] dp = new int[n][3][2];
dp[0][1][0] = 0;
dp[0][1][1] = -prices[0];
dp[0][2][0] = 0;
dp[0][2][1] = -prices[0];
for(int i = 1; i < n; i++) {
dp[i][2][0] = Math.max(dp[i - 1][2][0], dp[i - 1][2][1] + prices[i]);
dp[i][2][1] = Math.max(dp[i - 1][2][1], dp[i - 1][1][0] - prices[i]);
dp[i][1][0] = Math.max(dp[i - 1][1][0], dp[i - 1][1][1] + prices[i]);
dp[i][1][1] = Math.max(dp[i - 1][1][1], dp[i - 1][0][0] - prices[i]);
}
return dp[n - 1][2][0];
}
}
时间复杂度 O(n)
,空间复杂度 O(n)
状态压缩
第 i
天的最大收益只和第 i - 1
天的最大收益相关,空间复杂度可以降到 O(1)
。
class Solution {
public int maxProfit(int[] prices) {
int n = prices.length;
int[][] dp = new int[3][2];
dp[1][0] = 0;
dp[1][1] = -prices[0];
dp[2][0] = 0;
dp[2][1] = -prices[0];
for(int i = 1; i < n; i++) {
dp[2][0] = Math.max(dp[2][0], dp[2][1] + prices[i]);
dp[2][1] = Math.max(dp[2][1], dp[1][0] - prices[i]);
dp[1][0] = Math.max(dp[1][0], dp[1][1] + prices[i]);
dp[1][1] = Math.max(dp[1][1], dp[0][0] - prices[i]);
}
return dp[2][0];
}
}
时间复杂度 O(n)
,空间复杂度 O(1)
188. 买卖股票的最佳时机 IV
给定一个整数数组 prices ,它的第 i 个元素 prices[i] 是一支给定的股票在第 i 天的价格。
设计一个算法来计算你所能获取的最大利润。你最多可以完成 k 笔交易。
注意:你不能同时参与多笔交易(你必须在再次购买前出售掉之前的股票)。
示例 1:
输入:k = 2, prices = [2,4,1]
输出:2
解释:在第 1 天 (股票价格 = 2) 的时候买入,在第 2 天 (股票价格 = 4) 的时候卖出,这笔交易所能获得利润 = 4-2 = 2 。
示例 2:
输入:k = 2, prices = [3,2,6,5,0,3]
输出:7
解释:在第 2 天 (股票价格 = 2) 的时候买入,在第 3 天 (股票价格 = 6) 的时候卖出, 这笔交易所能获得利润 = 6-2 = 4 。
随后,在第 5 天 (股票价格 = 0) 的时候买入,在第 6 天 (股票价格 = 3) 的时候卖出, 这笔交易所能获得利润 = 3-0 = 3 。
提示:
0 <= k <= 100
0 <= prices.length <= 1000
0 <= prices[i] <= 1000
普通 dp
-
一般状态:
dp[i][k][0]
:第i
天的利润,且第i
天没有股票(第i - 1
天也没有,但是第i
天没有任何操作;或者第i - 1
天有,但是在第i
天卖出了),k
表示第i
天进行的最大交易次数dp[i][k][1]
:第i
天的利润,且第i
天有股票(第i - 1
天也有,但是第i
天没有任何操作;或者第i - 1
天没有,但是在第i
天买入了),k
表示第i
天进行的最大交易次数
-
初始状态
dp[0][k][0] = 0
:第0
天不持有股票,之前也没有买过,利润为0
,最大交易次数为k
dp[0][k][1] = -prices[0]
:第0
天持有股票,之前没有买过,是第0
天才买入的,利润为-prices[0]
,及当日股票购入的价格,最大交易次数为k
-
状态转移方程
dp[i][k][0] = Math.max(dp[i - 1][k][0], dp[i - 1][k][1] + prices[i])
:第i
天没有股票,说明要么第i-1
天也没有股票并且第i
天没有任何操作,要么第i-1
天有股票但是第i
天卖出了。dp[i][k][1] = Math.max(dp[i - 1][k][1], dp[i - 1][k - 1][0] - prices[i])
:第i
天持有股票,说明要么第i-1
天也持有股票并且第i
天没有任何操作,要么第i-1
天没有股票但是第i
天买入,第i - 1
天的最大交易次数比第i
天的最大交易次数少1
。
class Solution {
public int maxProfit(int k, int[] prices) {
if (prices == null || prices.length == 0) {
return 0;
}
int n = prices.length;
int[][][] dp = new int[n][k + 1][2];
for(int i = 1; i <= k; i++) { // 赋初值
dp[0][i][0] = 0;
dp[0][i][1] = -prices[0];
}
for(int i = 1; i < n; i++) {
for(int j = 1; j <= k ;j++) {
dp[i][j][0] = Math.max(dp[i - 1][j][0], dp[i - 1][j][1] + prices[i]);
dp[i][j][1] = Math.max(dp[i - 1][j][1], dp[i - 1][j - 1][0] - prices[i]);
}
}
return dp[n - 1][k][0];
}
}
时间复杂度为 O(nk)
和空间复杂度为 O(nk)
状态压缩
第 i
天的最大收益只和第 i - 1
天的最大收益相关
class Solution {
public int maxProfit(int k, int[] prices) {
if (prices == null || prices.length == 0) {
return 0;
}
int n = prices.length;
int[][] dp = new int[k + 1][2];
for(int i = 1; i <= k; i++) {
dp[i][0] = 0;
dp[i][1] = -prices[0];
}
for(int i = 1; i < n; i++) {
for(int j = 1; j <= k ;j++) {
dp[j][0] = Math.max(dp[j][0], dp[j][1] + prices[i]);
dp[j][1] = Math.max(dp[j][1], dp[j - 1][0] - prices[i]);
}
}
return dp[k][0];
}
}
时间复杂度为 O(nk)
和空间复杂度为 O(k)
309. 最佳买卖股票时机含冷冻期
给定一个整数数组prices,其中第 prices[i] 表示第 i 天的股票价格 。
设计一个算法计算出最大利润。在满足以下约束条件下,你可以尽可能地完成更多的交易(多次买卖一支股票):
卖出股票后,你无法在第二天买入股票 (即冷冻期为 1 天)。
注意:你不能同时参与多笔交易(你必须在再次购买前出售掉之前的股票)。
示例 1:
输入: prices = [1,2,3,0,2]
输出: 3
解释: 对应的交易状态为: [买入, 卖出, 冷冻期, 买入, 卖出]
示例 2:
输入: prices = [1]
输出: 0
提示:
1 <= prices.length <= 5000
0 <= prices[i] <= 1000
普通 dp
-
一般状态:
dp[i][0]
:第i
天的利润,0
表示不持有股票(从未持有过,或已卖出)dp[i][1]
:第i
天的利润,1
表示正在持有股票(之前也持有,或第i
天才买入股票)
-
初始状态
dp[0][0] = 0
:第0
天不持有股票,之前也没有买过,利润为0
dp[0][1] = -prices[0]
:第0
天持有股票,之前没有买过,是第0
天才买入的,利润为-prices[0]
,及当日股票购入的价格
-
状态转移方程
dp[i][0] = Math.max(dp[i - 1][0], dp[i - 1][1] + prices[i])
:第i
天没有股票,说明要么第i-1
天也没有股票并且第i
天没有任何操作,要么第i-1
天有股票但是第i
天卖出了。dp[i][1] = Math.max(dp[i - 1][1], dp[i - 2][0] - prices[i])
:第i
天持有股票,说明要么第i-1
天也持有股票并且第i
天没有任何操作,要么第i-2
天没有股票但是第i
天买入。在有冷却时间
的情况下,如果在第i - 1
天卖出了股票,就不能在第i
天买入股票。因此,如果要在第i
天买入股票,第二个状态转移方程中就不能使用dp[i - 1][0]
,而应该使用dp[i - 2][0]
。
class Solution {
public int maxProfit(int[] prices) {
int n = prices.length;
int dp[][] = new int[n][2];
dp[0][0] = 0;
dp[0][1] = -prices[0];
for(int i = 1; i < n; i++) {
dp[i][0] = Math.max(dp[i - 1][0], dp[i - 1][1] + prices[i]);
dp[i][1] = Math.max(dp[i - 1][1], (i >= 2 ? dp[i - 2][0] : 0) - prices[i]);
}
return dp[n - 1][0];
}
}
时间复杂度为 O(n)
和空间复杂度为 O(n)
状态压缩
第 i
天的最大收益只和第 i - 1
天和第 i - 2
天的最大收益相关
class Solution {
public int maxProfit(int[] prices) {
int n = prices.length;
int dp[] = new int[2];
dp[0] = 0;
dp[1] = -prices[0];
int pre = 0; // 记录第 i - 2 天的利润(无股票)
for(int i = 1; i < n; i++) {
int nextProfit0 = Math.max(dp[0], dp[1] + prices[i]);
int nextProfit1 = Math.max(dp[1], pre - prices[i]);
pre = dp[0];
dp[0] = nextProfit0;
dp[1] = nextProfit1;
}
return dp[0];
}
}
时间复杂度为 O(n)
和空间复杂度为 O(1)
714. 买卖股票的最佳时机含手续费
普通 dp
-
一般状态:
dp[i][0]
:第i
天的利润,0
表示不持有股票(从未持有过,或已卖出)dp[i][1]
:第i
天的利润,1
表示正在持有股票(之前也持有,或第i
天才买入股票)
-
初始状态
dp[0][0] = 0
:第0
天不持有股票,之前也没有买过,利润为0
dp[0][1] = -prices[0]
:第0
天持有股票,之前没有买过,是第0
天才买入的,利润为-prices[0]
,及当日股票购入的价格
-
状态转移方程
dp[i][0] = Math.max(dp[i - 1][0], dp[i - 1][1] + prices[i])
:第i
天没有股票,说明要么第i-1
天也没有股票并且第i
天没有任何操作,要么第i-1
天有股票但是第i
天卖出了。dp[i][1] = Math.max(dp[i - 1][1], dp[i - 1][0] - prices[i] - fee)
:第i
天持有股票,说明要么第i-1
天也持有股票并且第i
天没有任何操作,要么第i-1
天没有股票但是第i
天买入,同时付手续费。
class Solution {
public int maxProfit(int[] prices, int fee) {
int n = prices.length;
int[][] dp = new int[n][2];
dp[0][0] = 0;
dp[0][1] = -prices[0] - fee;
for(int i = 1; i < n; i++) {
dp[i][0] = Math.max(dp[i - 1][0], dp[i - 1][1] + prices[i]);
dp[i][1] = Math.max(dp[i - 1][1], dp[i - 1][0] - prices[i] - fee);
}
return dp[n - 1][0];
}
}
时间复杂度为 O(n)
和空间复杂度为 O(n)
状态压缩
第 i
天的最大收益只和第 i - 1
天的最大收益相关
class Solution {
public int maxProfit(int[] prices, int fee) {
int n = prices.length;
int[] dp = new int[2];
dp[0] = 0;
dp[1] = -prices[0] - fee;
for(int i = 1; i < n; i++) {
dp[0] = Math.max(dp[0], dp[1] + prices[i]);
dp[1] = Math.max(dp[1], dp[0] - prices[i] - fee);
}
return dp[0];
}
}
时间复杂度为 O(n)
和空间复杂度为 O(1)
总结
从上面六个体可以总结出一个模板
dp[i][k][j]
i
:第i
天k
:可能的最大交易次数j
:j = 0
表示当前没有股票;j = 1
表示当前持有股票dp[i][k][0]
:表示在第i
天结束时,最多进行k
次交易且在进行操作后持有0
份股票的情况下可以获得的最大收益;dp[i][k][1]
:表示在第i
天结束时,最多进行k
次交易且在进行操作后持有1
份股票的情况下可以获得的最大收益。
总共涉及到三个状态
- 买入
- 卖出
- 无操作
dp[i][k][j]
与 dp[i - 1][k - 1][j]
dp[i - 1][k][j]
dp[i][k - 1][j]
等子问题有关。
一般的状态转移方程如下:
dp[i][j][0] = Math.max(dp[i - 1][j][0], dp[i - 1][j][1] + prices[i]);
dp[i][j][1] = Math.max(dp[i - 1][j][1], dp[i - 1][j - 1][0] - prices[i]);
其他问题只不过是在此基础上进行小变形,通过股票系列这几个题可以加深对动态规划的认识和理解,也可以有效的应对面试。
参考资料
力扣官方题解