找零兑换问题的递归解法
硬币兑换问题,硬币包括1分、5分、10分、25分四种,给出找零金额,求兑换硬币最少数量。
初始递归解法步骤:
- 确定基本结束条件:需要兑换的找零面值正好等于某种硬币(1,5,10,25);
- 减小问题规模:
- 找零减去1分后,求兑换硬币最少数量(递归调用自身);
- 找零减去5分后,求兑换硬币最少数量;
- 找零减去10分后,求兑换硬币最少数量;
- 找零减去25分后,求兑换硬币最少数量;
上述4项中选择最小的一个。
\[numCoins =
\left \{
\begin{array}{c}
1 + numCoins(originalamount - 1) \\
1 + numCoins(originalamount - 5) \\
1 + numCoins(originalamount - 10) \\
1 + numCoins(originalamount - 25)
\end{array}
\right.
\]
初始代码
import time
def recMC(coinValueList, change):
minCoins = change
if change in coinValueList:
return 1
else:
for i in [c for c in coinValueList if c <= change]:
numCoins = 1 + recMC(coinValueList, change - i)
if numCoins < minCoins:
minCoins = numCoins
return minCoins
print(time.perf_counter())
print(recMC([1, 5, 10, 25], 63))
print(time.perf_counter())
初始结果
对63分的兑换硬币问题,需要进行67,716,925次递归调用,其中包括多次的重复计算,花费48秒才得到结果:6个硬币
递归解法改进
为了消除重复计算,可以将计算过的中间结果保存到一个表中,这个中间结果就是部分找零的最优解,在递归调用过程中已经得到的最优解被记录下来。
在递归调用之前,先查找表中是否已有部分找零的最优解:
- 如果有,直接返回最优解而不进行递归调用
- 如果没有,再进行递归调用
memorization(记忆化/函数值缓存)改进代码
import time
def recDC(coinValueList, change, knownResults):
minCoins = change
if change in coinValueList: # 递归基本结束条件
knownResults[change] = 1 # 记录最优解
return 1
elif knownResults[change] > 0:
return knownResults[change] # 查表成功,直接用最优解
else:
for i in [c for c in coinValueList if c <= change]:
numCoins = 1 + recDC(coinValueList, \
change - i, knownResults)
if numCoins < minCoins:
minCoins = numCoins
# 找到最优解,记录到表中
knownResults[change] = minCoins
return minCoins
memo = [0] * 64
print(time.perf_counter())
print(recDC([1, 5, 10, 25], 63, memo))
print(time.perf_counter())
print(memo)
改进结果
得到结果只用了0.0002秒,效果显著。