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leetcode 2701 ~ 2750
放置盒子

放置盒子

难度:

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题目描述

You have a cubic storeroom where the width, length, and height of the room are all equal to n units. You are asked to place n boxes in this room where each box is a cube of unit side length. There are however some rules to placing the boxes:

  • You can place the boxes anywhere on the floor.
  • If box x is placed on top of the box y, then each side of the four vertical sides of the box y must either be adjacent to another box or to a wall.

Given an integer n, return the minimum possible number of boxes touching the floor.

 

Example 1:

Input: n = 3
Output: 3
Explanation: The figure above is for the placement of the three boxes.
These boxes are placed in the corner of the room, where the corner is on the left side.

Example 2:

Input: n = 4
Output: 3
Explanation: The figure above is for the placement of the four boxes.
These boxes are placed in the corner of the room, where the corner is on the left side.

Example 3:

Input: n = 10
Output: 6
Explanation: The figure above is for the placement of the ten boxes.
These boxes are placed in the corner of the room, where the corner is on the back side.

 

Constraints:

  • 1 <= n <= 109

代码结果

运行时间: 28 ms, 内存: 16.0 MB


/*
 * 题目思路:
 * 1. 我们需要在一个n x n x n的立方体房间中放置n个盒子。
 * 2. 由于盒子的放置规则是下层的盒子必须被其他盒子或墙壁包围,我们可以尽量将盒子放在房间的角落。
 * 3. 对于一个给定的n,求接触地面的盒子的最少数量,我们可以发现,如果n为完全立方数,则可以形成一个完美的立方体,地面接触盒子的数量最少。
 * 4. 如果n不是完全立方数,我们需要计算最大的完整立方体,并计算余下的盒子数量,继续递归或线性计算。
 */
import java.util.stream.IntStream;
public class MinGroundContactBoxes {
    public int minBoxes(int n) {
        int k = (int) Math.cbrt(n);
        int base = k * k * k;
        int remainder = n - base;
        if (remainder == 0) {
            return k * k;
        }
        return IntStream.of(minBoxes(remainder), k * k).sum();
    }

    public static void main(String[] args) {
        MinGroundContactBoxes solution = new MinGroundContactBoxes();
        System.out.println(solution.minBoxes(3));  // 输出: 3
        System.out.println(solution.minBoxes(4));  // 输出: 3
        System.out.println(solution.minBoxes(10)); // 输出: 6
    }
}

解释

方法:

此题目的解题思路基于数学构建。首先,我们需要理解题目中的盒子放置规则和求接触地面的盒子的最少数量。这可以通过构建一个盒子堆,使得每个新增加的层都尽可能多地增加盒子,同时保持堆的稳定。\n\n算法首先尝试构建一个完全的金字塔型堆,每层比上一层多一个盒子,直到不能再构建一个完整层为止(即盒子总数不足以构建下一层)。接着,我们计算已使用盒子的总数和当前金字塔底层的盒子数。如果还有剩余的盒子未被放置,则继续在当前最上层逐个放置盒子,每放一个盒子,接触地面的盒子数加一,直到所有盒子都被放置完毕。

时间复杂度:

O(sqrt(n))

空间复杂度:

O(1)

代码细节讲解

🦆
在题解中,为什么先构建一个金字塔形的盒子堆,而不是其他形状?这样做的优势在哪里?
构建金字塔形的盒子堆是为了实现每个新增层都尽可能多地增加盒子的目的,同时保持整个结构的稳定性。金字塔形的堆叠方式可以在保证底层盒子数量最少的情况下,尽量多地使用上层的空间。这种方式的优势在于它有助于最小化接触地面的盒子数量,因为底层的盒子可以支撑上面多层的盒子,从而减少底层的需求。其他形状如直线或其他不规则形状可能需要更多的底层盒子来维持相同数量的盒子,从而增加接触地面的盒子数。
🦆
题解中提到,每层比上一层多一个盒子直到不能再构建一个完整层,这种策略是如何确保最小化接触地面的盒子数的?
该策略通过最大化每一层的盒子数量来尽可能减少整个堆的高度,从而最小化接触地面的盒子数。具体来说,每增加一层,都在之前的基础上多一个盒子,这样可以确保每一层都充分利用了下层的支撑,减少了需要直接接触地面的盒子数量。当不能再构建一个完整层时,说明剩余的盒子数量不足以形成一个新的完整层,此时再逐个增加盒子至顶层,确保未被使用的盒子数量最小,而不影响已构建好的底层结构。
🦆
如果n的值非常大,例如n=100000,构建金字塔的策略是否还是有效,或者需要考虑其他更优的方法?
即使对于非常大的n值,如n=100000,构建金字塔的策略仍然是有效的。这种策略在数学上是优化的,因为它保持了每层尽可能多的盒子堆叠,而底层盒子数量的增长是平方级别的,因此可以支撑极大数量的盒子。虽然计算量随n的增大而增加,但是这种方法仍然是最小化接触地面盒子数的最优策略。在实际应用中,可以考虑优化算法的实现,比如使用更高效的数据结构或者并行处理技术,以处理大规模的数据。

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