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完全平方数

完全平方数

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题目描述

给你一个整数 n ,返回 和为 n 的完全平方数的最少数量

完全平方数 是一个整数,其值等于另一个整数的平方;换句话说,其值等于一个整数自乘的积。例如,14916 都是完全平方数,而 311 不是。

 

示例 1:

输入:n = 12
输出:3 
解释:12 = 4 + 4 + 4

示例 2:

输入:n = 13
输出:2
解释:13 = 4 + 9
 

提示:

  • 1 <= n <= 104

代码结果

运行时间: 42 ms, 内存: 0.0 MB


/*
 * 思路:
 * 使用 Java Streams 来实现动态规划的解决方案。
 * 创建一个包含 [1, n] 的范围,并使用 reduce 操作来更新 dp 数组。
 * 每次遍历时,我们检查所有可能的完全平方数并更新 dp[i]。
 */
import java.util.stream.IntStream;
 
public class Solution {
    public int numSquares(int n) {
        int[] dp = new int[n + 1];
        dp[0] = 0;
        IntStream.rangeClosed(1, n).forEach(i -> {
            dp[i] = IntStream.rangeClosed(1, (int) Math.sqrt(i)).map(j -> dp[i - j * j] + 1).min().orElse(Integer.MAX_VALUE);
        });
        return dp[n];
    }
}

解释

方法:

该题解采用数学推导的方法,利用了四平方和定理:任何一个正整数都可以表示成不超过四个整数的平方之和。首先生成不超过n的完全平方数集合d,然后分四种情况判断:1.如果n本身在d中,则只需要1个数;2.如果n可以表示为d中两个数之和,则需要2个数;3.如果n可以表示为d中三个数之和,则需要3个数;4.根据四平方和定理,剩下的情况只能由4个完全平方数组成。

时间复杂度:

O(n^(3/2))

空间复杂度:

O(sqrt(n))

代码细节讲解

🦆
为什么在生成完全平方数集合时,选择的范围是1至101?如果n很大,比如10000,这个范围是否足够?
在生成完全平方数集合时选择1至101的范围是因为101^2=10201,这是超过10000的第一个完全平方数。对于任何小于或等于10000的n,这个范围内的完全平方数集合是足够的。然而,如果n大于10000,我们需要增加范围,确保集合中包含所有不超过n的完全平方数。因此,动态确定范围上限为sqrt(n)是更合适的选择。
🦆
在判断n是否可以由d中两个数之和表示时,如果n很大,这种方法的效率如何?是否存在更优化的方式?
在判断n是否可以由d中两个数之和表示时,采用的是双循环遍历,这种方法的时间复杂度是O(m^2),其中m是集合d的大小。对于大的n,这种方法的效率较低。更优化的方式可以使用双指针方法或哈希表来减少查找时间,尤其是哈希表方法,可以将时间复杂度降至O(m)。
🦆
你如何证明当n不能由一个、两个或三个完全平方数表示时,一定能由四个平方数表示?是否有特定算法或理论支持这一点?
这一结论基于著名的四平方和定理(Lagrange's Four Square Theorem),该定理表明每个正整数都可以表示为四个整数的平方和。因此,如果n不能通过一个、两个或三个完全平方数的和来表示,根据四平方和定理,它一定可以由四个数的平方和来表示。
🦆
代码中未考虑使用动态规划方法,动态规划通常用于此类问题。使用动态规划与当前方法相比,哪种更有效,为什么?
动态规划方法在处理此类问题时通常更有效,因为它能够避免重复计算并保持子问题的最优解。动态规划的解法会使用一个数组dp,其中dp[i]表示组成数字i需要的最少的完全平方数数量。通过从低到高计算每个dp值,可以确保每步都是基于最优子结构进行的。相比之下,直接计算可能会涉及重复的计算和更高的时间复杂度。因此,对于大的n,动态规划通常更高效。

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示例 1:

输入:n = 10
输出:4
解释:小于 10 的质数一共有 4 个, 它们是 2, 3, 5, 7 。

示例 2:

输入:n = 0
输出:0

示例 3:

输入:n = 1
输出:0

 

提示:

  • 0 <= n <= 5 * 106

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丑数 就是质因子只包含 23 和 5 的正整数。

 

示例 1:

输入:n = 10
输出:12
解释:[1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 12] 是由前 10 个丑数组成的序列。

示例 2:

输入:n = 1
输出:1
解释:1 通常被视为丑数。

 

提示:

  • 1 <= n <= 1690