diff --git a/codes/cpp/chapter_greedy/max_product_cutting.cpp b/codes/cpp/chapter_greedy/max_product_cutting.cpp new file mode 100644 index 000000000..9a7287cd4 --- /dev/null +++ b/codes/cpp/chapter_greedy/max_product_cutting.cpp @@ -0,0 +1,39 @@ +/** + * File: max_product_cutting.cpp + * Created Time: 2023-07-21 + * Author: Krahets (krahets@163.com) + */ + +#include "../utils/common.hpp" + +/* 最大切分乘积:贪心 */ +int maxProductCutting(int n) { + // 当 n <= 3 时,必须切分出一个 1 + if (n <= 3) { + return 1 * (n - 1); + } + // 贪心地切分出 3 ,a 为 3 的个数,b 为余数 + int a = n / 3; + int b = n % 3; + if (b == 1) { + // 当余数为 1 时,将一对 1 * 3 转化为 2 * 2 + return (int)pow(3, a - 1) * 2 * 2; + } + if (b == 2) { + // 当余数为 2 时,不做处理 + return (int)pow(3, a) * 2; + } + // 当余数为 0 时,不做处理 + return (int)pow(3, a); +} + +/* Driver Code */ +int main() { + int n = 58; + + // 贪心算法 + int res = maxProductCutting(n); + cout << "最大切分乘积为" << res << endl; + + return 0; +} diff --git a/codes/java/chapter_greedy/max_product_cutting.java b/codes/java/chapter_greedy/max_product_cutting.java new file mode 100644 index 000000000..bdc27c667 --- /dev/null +++ b/codes/java/chapter_greedy/max_product_cutting.java @@ -0,0 +1,40 @@ +/** + * File: max_product_cutting.java + * Created Time: 2023-07-21 + * Author: Krahets (krahets@163.com) + */ + +package chapter_greedy; + +import java.lang.Math; + +public class max_product_cutting { + /* 最大切分乘积:贪心 */ + public static int maxProductCutting(int n) { + // 当 n <= 3 时,必须切分出一个 1 + if (n <= 3) { + return 1 * (n - 1); + } + // 贪心地切分出 3 ,a 为 3 的个数,b 为余数 + int a = n / 3; + int b = n % 3; + if (b == 1) { + // 当余数为 1 时,将一对 1 * 3 转化为 2 * 2 + return (int) Math.pow(3, a - 1) * 2 * 2; + } + if (b == 2) { + // 当余数为 2 时,不做处理 + return (int) Math.pow(3, a) * 2; + } + // 当余数为 0 时,不做处理 + return (int) Math.pow(3, a); + } + + public static void main(String[] args) { + int n = 58; + + // 贪心算法 + int res = maxProductCutting(n); + System.out.println("最大切分乘积为" + res); + } +} diff --git a/codes/python/chapter_greedy/max_product_cutting.py b/codes/python/chapter_greedy/max_product_cutting.py new file mode 100644 index 000000000..921a35459 --- /dev/null +++ b/codes/python/chapter_greedy/max_product_cutting.py @@ -0,0 +1,33 @@ +""" +File: max_product_cutting.py +Created Time: 2023-07-21 +Author: Krahets (krahets@163.com) +""" + +import math + + +def max_product_cutting(n: int) -> int: + """最大切分乘积:贪心""" + # 当 n <= 3 时,必须切分出一个 1 + if n <= 3: + return 1 * (n - 1) + # 贪心地切分出 3 ,a 为 3 的个数,b 为余数 + a, b = n // 3, n % 3 + if b == 1: + # 当余数为 1 时,将一对 1 * 3 转化为 2 * 2 + return int(math.pow(3, a - 1)) * 2 * 2 + if b == 2: + # 当余数为 2 时,不做处理 + return int(math.pow(3, a)) * 2 + # 当余数为 0 时,不做处理 + return int(math.pow(3, a)) + + +"""Driver Code""" +if __name__ == "__main__": + n = 58 + + # 贪心算法 + res = max_product_cutting(n) + print(f"最大切分乘积为 {res}") diff --git a/docs/chapter_greedy/max_product_cutting_problem.assets/max_product_cutting_definition.png b/docs/chapter_greedy/max_product_cutting_problem.assets/max_product_cutting_definition.png new file mode 100644 index 000000000..9c8d1c151 Binary files /dev/null and b/docs/chapter_greedy/max_product_cutting_problem.assets/max_product_cutting_definition.png differ diff --git a/docs/chapter_greedy/max_product_cutting_problem.assets/max_product_cutting_greedy_calculation.png b/docs/chapter_greedy/max_product_cutting_problem.assets/max_product_cutting_greedy_calculation.png new file mode 100644 index 000000000..560b7f649 Binary files /dev/null and b/docs/chapter_greedy/max_product_cutting_problem.assets/max_product_cutting_greedy_calculation.png differ diff --git a/docs/chapter_greedy/max_product_cutting_problem.assets/max_product_cutting_greedy_infer1.png b/docs/chapter_greedy/max_product_cutting_problem.assets/max_product_cutting_greedy_infer1.png new file mode 100644 index 000000000..0e1a79ed9 Binary files /dev/null and b/docs/chapter_greedy/max_product_cutting_problem.assets/max_product_cutting_greedy_infer1.png differ diff --git a/docs/chapter_greedy/max_product_cutting_problem.assets/max_product_cutting_greedy_infer2.png b/docs/chapter_greedy/max_product_cutting_problem.assets/max_product_cutting_greedy_infer2.png new file mode 100644 index 000000000..25febf38c Binary files /dev/null and b/docs/chapter_greedy/max_product_cutting_problem.assets/max_product_cutting_greedy_infer2.png differ diff --git a/docs/chapter_greedy/max_product_cutting_problem.assets/max_product_cutting_greedy_infer3.png b/docs/chapter_greedy/max_product_cutting_problem.assets/max_product_cutting_greedy_infer3.png new file mode 100644 index 000000000..1f06284ff Binary files /dev/null and b/docs/chapter_greedy/max_product_cutting_problem.assets/max_product_cutting_greedy_infer3.png differ diff --git a/docs/chapter_greedy/max_product_cutting_problem.md b/docs/chapter_greedy/max_product_cutting_problem.md new file mode 100644 index 000000000..c16be1cfc --- /dev/null +++ b/docs/chapter_greedy/max_product_cutting_problem.md @@ -0,0 +1,149 @@ +# 最大切分乘积问题 + +!!! question + + 给定一个正整数 $n$ ,将其切分为至少两个正整数的和,求切分后所有整数的乘积最大是多少。 + +### 第一步:问题分析 + +![最大切分乘积的问题定义](max_product_cutting_problem.assets/max_product_cutting_definition.png) + +假设我们将 $n$ 切分为 $m$ 个整数因子,其中第 $i$ 个因子记为 $n_i$ ,即 + +$$ +n = \sum_{i=1}^{m}n_i +$$ + +本题目标是求得所有整数因子的最大乘积,即 + +$$ +\max(\prod_{i=1}^{m}n_i) +$$ + +我们需要思考的是:切分数量 $m$ 应该多大,每个 $n_i$ 应该是多少? + +### 第二步:贪心策略确定 + +根据经验,两个整数的和往往比它们的积更小。假设从 $n$ 中分出一个因子 $2$ ,则它们的乘积为 $2(n-2)$ 。我们将该乘积与 $n$ 作比较: + +$$ +\begin{aligned} +2(n-2) & \geq n \newline +2n - n - 4 & \geq 0 \newline +n & \geq 4 +\end{aligned} +$$ + +当 $n \geq 4$ 时,切分出一个 $2$ 后乘积会变大,这说明大于等于 $4$ 的整数都应该被切分。 + +**贪心策略一**:如果切分方案中包含 $\geq 4$ 的因子,那么它就应该被继续切分。最终的切分方案只应出现 $1$ , $2$ , $3$ 这三种因子。 + +![切分导致乘积变大](max_product_cutting_problem.assets/max_product_cutting_greedy_infer1.png) + +接下来思考哪个因子是最优的。在 $1$ , $2$ , $3$ 这三个因子中,显然 $1$ 是最差的,因为 $1 \times (n-1) < n$ 恒成立,切分出 $1$ 会导致乘积减小。 + +我们发现,当 $n = 6$ 时,有 $3 \times 3 > 2 \times 2 \times 2$ 。**这意味着切分出 $3$ 比切分出 $2$ 更优**。 + +**贪心策略二**:在切分方案中,最多只应存在两个 $2$ 。因为三个 $2$ 可以被替换为两个 $3$ ,从而获得更大的乘积。 + +![最优切分因子](max_product_cutting_problem.assets/max_product_cutting_greedy_infer3.png) + +总结以上,可推出贪心策略: + +1. 输入整数 $n$ ,从其不断地切分出因子 $3$ ,直至余数为 $0$ , $1$ , $2$ 。 +2. 当余数为 $0$ 时,代表 $n$ 是 $3$ 的倍数,因此不做任何处理。 +3. 当余数为 $2$ 时,不继续划分,保留之。 +4. 当余数为 $1$ 时,由于 $2 \times 2 > 1 \times 3$ ,因此应将最后一个 $3$ 替换为 $2$ 。 + +### 代码实现 + +在代码中,我们无需开启循环来切分,可以直接利用向下整除得到 $3$ 的个数 $a$ ,用取模运算得到余数 $b$ ,即: + +$$ +n = 3 a + b +$$ + +需要单独处理边界情况:当 $n \leq 3$ 时,必须拆分出一个 $1$ ,乘积为 $1 \times (n - 1)$ 。 + +=== "Java" + + ```java title="max_product_cutting.java" + [class]{max_product_cutting}-[func]{maxProductCutting} + ``` + +=== "C++" + + ```cpp title="max_product_cutting.cpp" + [class]{}-[func]{maxProductCutting} + ``` + +=== "Python" + + ```python title="max_product_cutting.py" + [class]{}-[func]{max_product_cutting} + ``` + +=== "Go" + + ```go title="max_product_cutting.go" + [class]{}-[func]{maxProductCutting} + ``` + +=== "JavaScript" + + ```javascript title="max_product_cutting.js" + [class]{}-[func]{maxProductCutting} + ``` + +=== "TypeScript" + + ```typescript title="max_product_cutting.ts" + [class]{}-[func]{maxProductCutting} + ``` + +=== "C" + + ```c title="max_product_cutting.c" + [class]{}-[func]{maxProductCutting} + ``` + +=== "C#" + + ```csharp title="max_product_cutting.cs" + [class]{max_product_cutting}-[func]{maxProductCutting} + ``` + +=== "Swift" + + ```swift title="max_product_cutting.swift" + [class]{}-[func]{maxProductCutting} + ``` + +=== "Zig" + + ```zig title="max_product_cutting.zig" + [class]{}-[func]{maxProductCutting} + ``` + +=== "Dart" + + ```dart title="max_product_cutting.dart" + [class]{}-[func]{maxProductCutting} + ``` + +![最大切分乘积的计算方法](max_product_cutting_problem.assets/max_product_cutting_greedy_calculation.png) + +**时间复杂度取决于编程语言的幂运算的实现方法**。以 Python 为例,常用的幂计算函数有三种: + +- 运算符 `**` 和函数 `pow()` 的时间复杂度均为 $O(\log⁡ a)$ ; +- 函数 `math.pow()` 内部调用 C 语言库的 `pow()` 函数,其执行浮点取幂,时间复杂度为 $O(1)$ 。 + +变量 $a$ , $b$ 使用常数大小的额外空间,**因此空间复杂度为 $O(1)$** 。 + +### 第三步:正确性证明 + +使用反证法,只分析 $n \geq 3$ 的情况。 + +1. **所有因子 $\leq 3$** :假设最优切分方案中存在 $\geq 4$ 的因子 $x$ ,那么一定可以将其继续划分为 $2(x-2)$ ,从而获得更大的乘积。这与假设矛盾。 +2. **切分方案不包含 $1$** :假设最优切分方案中存在一个因子 $1$ ,那么它一定可以合并入另外一个因子中,以获取更大乘积。这与假设矛盾。 +3. **切分方案最多包含两个 $2$** :假设最优切分方案中包含三个 $2$ ,那么一定可以替换为两个 $3$ ,乘积更大。这与假设矛盾。 diff --git a/mkdocs.yml b/mkdocs.yml index b79ebcd4d..93c0fc5b8 100644 --- a/mkdocs.yml +++ b/mkdocs.yml @@ -271,6 +271,8 @@ nav: - 15.2.   分数背包问题: chapter_greedy/fractional_knapsack_problem.md # [status: new] - 15.3.   最大容量问题: chapter_greedy/max_capacity_problem.md + # [status: new] + - 15.4.   最大切分乘积问题: chapter_greedy/max_product_cutting_problem.md - 16.   附录: # [icon: material/help-circle-outline] - chapter_appendix/index.md