【前缀和 记忆化搜索】LeetCode1444. 切披萨的方案数

本文涉及的基础知识点

C++算法：前缀和、前缀乘积、前缀异或的原理、源码及测试用例 包括课程视频
动态规划 记忆化搜索

LeetCode1444. 切披萨的方案数

给你一个 rows x cols 大小的矩形披萨和一个整数 k ，矩形包含两种字符： ‘A’ （表示苹果）和 ‘.’ （表示空白格子）。你需要切披萨 k-1 次，得到 k 块披萨并送给别人。
切披萨的每一刀，先要选择是向垂直还是水平方向切，再在矩形的边界上选一个切的位置，将披萨一分为二。如果垂直地切披萨，那么需要把左边的部分送给一个人，如果水平地切，那么需要把上面的部分送给一个人。在切完最后一刀后，需要把剩下来的一块送给最后一个人。
请你返回确保每一块披萨包含 至少 一个苹果的切披萨方案数。由于答案可能是个很大的数字，请你返回它对 10^9 + 7 取余的结果。
示例 1：

输入：pizza = [“A…”,“AAA”,“…”], k = 3
输出：3
解释：上图展示了三种切披萨的方案。注意每一块披萨都至少包含一个苹果。
示例 2：

输入：pizza = [“A…”,“AA.”,“…”], k = 3
输出：1
示例 3：

输入：pizza = [“A…”,“A…”,“…”], k = 1
输出：1

提示：
1 <= rows, cols <= 50
rows == pizza.length
cols == pizza[i].length
1 <= k <= 10
pizza 只包含字符 ‘A’ 和 ‘.’ 。

预处理

本题解点的坐标用(x,y)表示，而不是行列。
任何时间，待切的蛋糕一定保留原始蛋糕的右下角（cols-1,rows-1)。所以只需要枚举(left,top)。
垂直切：左边的部分，bottom一定和原始蛋糕bottom，相同。只需要枚举left,top,right。
水平且：上边的部分，right一定和原始蛋糕同。只需要枚举left,top,bottom。
vLeft[left][t][r] 记录(left,t,r,rows-1) 是否包括苹果。
vTop[left][[t][b] 记录(left,t,cols-1,b) 是否包括苹果。
计算vLeft的过程如下：
符合以下条件之一vLeft[left][t][r] 就有苹果：
一，(left,t)有苹果。
二，vLeft(left+1,t,r)有苹果。
三，vLeft(left,t+1,r)有苹果。
vTop类似。
m =max(rows,cols)。 空间复杂度O(mmm)，时间复杂也是O(mmm)。

** 可以用二维前缀和计算左边（上边)的苹果数**。

动态规划

动态的状态表示

dp[k][left][top] 表示将蛋糕(left,top,cols-1,rows-1)切k次的方案数。
空间复杂度：O(k$\times$ rows $\times$ cols)

动态规划的转移方程

垂直切
dp[k][left][top] += $Fo{r}_{x:left+1:cols-1}^{vLeft[left][top][x-1]有苹果}Dp(k-1,x,top)$
记忆化搜索： Dp是函数，如果dp有对应值，则返回dp的值。否则更新dp的值，并返回。避免重复计算。
水平切：
dp[k][left][top] += $Fo{r}_{x:top+1:rows-1}^{vTop[left][top][x-1]有苹果}Dp(k-1,left,x)$
注意：送出的部分必须有一个苹果，包括的部分必须有k个苹果。

时间复杂度：O(k$\times$ rows $\times$ cols $\times$ (rows+cols))

动态规划的初始值

dp[0][left][top] = (left,top,m_iC-1,m_iR-1)是否有苹果。 如果是记忆化搜索，还需要vHasDo 记录各状态是否处理。

动态规划的填表顺序

直接Do(k-1,0,0) 是记忆化搜索。从1到k 计算所有状态的值，是动态规划。记忆化搜索可以避免计算一些不需要计算的值。

动态规划的返回值

dp[k][0][0]

代码

核心代码

template<int MOD = 1000000007>
class C1097Int
{
public:C1097Int(long long llData = 0) :m_iData(llData% MOD){}C1097Int  operator+(const C1097Int& o)const{return C1097Int(((long long)m_iData + o.m_iData) % MOD);}C1097Int& operator+=(const C1097Int& o){m_iData = ((long long)m_iData + o.m_iData) % MOD;return *this;}C1097Int& operator-=(const C1097Int& o){m_iData = (m_iData + MOD - o.m_iData) % MOD;return *this;}C1097Int  operator-(const C1097Int& o){return C1097Int((m_iData + MOD - o.m_iData) % MOD);}C1097Int  operator*(const C1097Int& o)const{return((long long)m_iData * o.m_iData) % MOD;}C1097Int& operator*=(const C1097Int& o){m_iData = ((long long)m_iData * o.m_iData) % MOD;return *this;}C1097Int  operator/(const C1097Int& o)const{return *this * o.PowNegative1();}C1097Int& operator/=(const C1097Int& o){*this /= o.PowNegative1();return *this;}bool operator==(const C1097Int& o)const{return m_iData == o.m_iData;}bool operator<(const C1097Int& o)const{return m_iData < o.m_iData;}C1097Int pow(long long n)const{C1097Int iRet = 1, iCur = *this;while (n){if (n & 1){iRet *= iCur;}iCur *= iCur;n >>= 1;}return iRet;}C1097Int PowNegative1()const{return pow(MOD - 2);}int ToInt()const{return m_iData;}
private:int m_iData = 0;;
};template<class T = int>
class CPreSum2 {
public:template<class _Pr>CPreSum2(int rowCnt, int colCount, _Pr pr):m_iRowCnt(rowCnt),m_iColCnt(colCount){m_vSum.assign(rowCnt + 1, vector<int>(colCount + 1));for (int r = 0; r < rowCnt; r++) {for (int c = 0; c < colCount; c++) {m_vSum[r + 1][c + 1] = m_vSum[r][c + 1] + m_vSum[r + 1][c] - m_vSum[r][c] + pr(r, c);}}}T Get(int left, int top, int right, int bottom)const {return m_vSum[bottom + 1][right + 1] - m_vSum[top][right + 1] - m_vSum[bottom + 1][left] + m_vSum[top][left];}T GetTopLeft(int left, int top) { return Get(left, top, m_iColCnt - 1, m_iRowCnt - 1); }vector<vector<T>> m_vSum;const int m_iRowCnt, m_iColCnt;
};
class Solution {
public:int ways(vector<string>& pizza, int k) {m_iR = pizza.size();m_iC = pizza[0].size();CPreSum2<int> preSum(m_iR, m_iC, [&](int r, int c) {return 'A' == pizza[r][c]; });	m_dp.assign(k, vector<vector<C1097Int<>>>(m_iC, vector<C1097Int<>>(m_iR)));m_vHasDo.assign(k, vector<vector<bool>>(m_iC, vector<bool>(m_iR)));for (int left = 0; left < m_iC; left++) {for (int top = 0; top < m_iR; top++) {m_dp[0][left][top] = preSum.GetTopLeft(left, top)>0;m_vHasDo[0][left][top] = true;}}return Rec(preSum, pizza, k-1, 0, 0).ToInt();}C1097Int<> Rec( CPreSum2<int>& preSum,  vector<string>& pizza, int k, int left, int top) {auto& iRet = m_dp[k][left][top];if (m_vHasDo[k][left][top]) { return iRet; }m_vHasDo[k][left][top] = true;int cnt = preSum.Get(left, top, m_iC - 1, m_iR - 1);//当前蛋糕有多少苹果for (int x = left + 1; x <= m_iC - 1; x++) {//垂直切const int iSub = preSum.Get(left, top, x - 1, m_iR - 1);//送出多少苹果if (0 == iSub ) { continue; }if (cnt - iSub < k ) { continue; }iRet += Rec(preSum, pizza, k - 1, x, top);}for (int x = top + 1; x <= m_iR - 1; x++) {//水平切const int iSub = preSum.Get(left, top, m_iC - 1, x - 1);if (0 == iSub) { continue; }if (cnt - iSub < k) { continue; }iRet += Rec(preSum, pizza, k - 1, left, x);}return iRet;}vector<vector<vector<C1097Int<> >>> m_dp;vector<vector<vector<bool >>> m_vHasDo;int m_iR, m_iC;
};

VS自带单元测试

template<int MOD = 1000000007>
class C1097Int
{
public:C1097Int(long long llData = 0) :m_iData(llData% MOD){}C1097Int  operator+(const C1097Int& o)const{return C1097Int(((long long)m_iData + o.m_iData) % MOD);}C1097Int& operator+=(const C1097Int& o){m_iData = ((long long)m_iData + o.m_iData) % MOD;return *this;}C1097Int& operator-=(const C1097Int& o){m_iData = (m_iData + MOD - o.m_iData) % MOD;return *this;}C1097Int  operator-(const C1097Int& o){return C1097Int((m_iData + MOD - o.m_iData) % MOD);}C1097Int  operator*(const C1097Int& o)const{return((long long)m_iData * o.m_iData) % MOD;}C1097Int& operator*=(const C1097Int& o){m_iData = ((long long)m_iData * o.m_iData) % MOD;return *this;}C1097Int  operator/(const C1097Int& o)const{return *this * o.PowNegative1();}C1097Int& operator/=(const C1097Int& o){*this /= o.PowNegative1();return *this;}bool operator==(const C1097Int& o)const{return m_iData == o.m_iData;}bool operator<(const C1097Int& o)const{return m_iData < o.m_iData;}C1097Int pow(long long n)const{C1097Int iRet = 1, iCur = *this;while (n){if (n & 1){iRet *= iCur;}iCur *= iCur;n >>= 1;}return iRet;}C1097Int PowNegative1()const{return pow(MOD - 2);}int ToInt()const{return m_iData;}
private:int m_iData = 0;;
};template<class T = int>
class CPreSum2 {
public:template<class _Pr>CPreSum2(int rowCnt, int colCount, _Pr pr):m_iRowCnt(rowCnt),m_iColCnt(colCount){m_vSum.assign(rowCnt + 1, vector<int>(colCount + 1));for (int r = 0; r < rowCnt; r++) {for (int c = 0; c < colCount; c++) {m_vSum[r + 1][c + 1] = m_vSum[r][c + 1] + m_vSum[r + 1][c] - m_vSum[r][c] + pr(r, c);}}}T Get(int left, int top, int right, int bottom)const {return m_vSum[bottom + 1][right + 1] - m_vSum[top][right + 1] - m_vSum[bottom + 1][left] + m_vSum[top][left];}T GetTopLeft(int left, int top) { return Get(left, top, m_iColCnt - 1, m_iRowCnt - 1); }vector<vector<T>> m_vSum;const int m_iRowCnt, m_iColCnt;
};
class Solution {
public:int ways(vector<string>& pizza, int k) {m_iR = pizza.size();m_iC = pizza[0].size();CPreSum2<int> preSum(m_iR, m_iC, [&](int r, int c) {return 'A' == pizza[r][c]; });	m_dp.assign(k, vector<vector<C1097Int<>>>(m_iC, vector<C1097Int<>>(m_iR)));m_vHasDo.assign(k, vector<vector<bool>>(m_iC, vector<bool>(m_iR)));for (int left = 0; left < m_iC; left++) {for (int top = 0; top < m_iR; top++) {m_dp[0][left][top] = preSum.GetTopLeft(left, top)>0;m_vHasDo[0][left][top] = true;}}return Rec(preSum, pizza, k-1, 0, 0).ToInt();}C1097Int<> Rec( CPreSum2<int>& preSum,  vector<string>& pizza, int k, int left, int top) {auto& iRet = m_dp[k][left][top];if (m_vHasDo[k][left][top]) { return iRet; }m_vHasDo[k][left][top] = true;int cnt = preSum.Get(left, top, m_iC - 1, m_iR - 1);//当前蛋糕有多少苹果for (int x = left + 1; x <= m_iC - 1; x++) {//垂直切const int iSub = preSum.Get(left, top, x - 1, m_iR - 1);//送出多少苹果if (0 == iSub ) { continue; }if (cnt - iSub < k ) { continue; }iRet += Rec(preSum, pizza, k - 1, x, top);}for (int x = top + 1; x <= m_iR - 1; x++) {//水平切const int iSub = preSum.Get(left, top, m_iC - 1, x - 1);if (0 == iSub) { continue; }if (cnt - iSub < k) { continue; }iRet += Rec(preSum, pizza, k - 1, left, x);}return iRet;}vector<vector<vector<C1097Int<> >>> m_dp;vector<vector<vector<bool >>> m_vHasDo;int m_iR, m_iC;
};

扩展阅读

视频课程

有效学习：明确的目标 及时的反馈 拉伸区（难度合适），可以先学简单的课程，请移步CSDN学院，听白银讲师（也就是鄙人）的讲解。
https://edu.csdn.net/course/detail/38771

如何你想快速形成战斗了，为老板分忧，请学习C#入职培训、C++入职培训等课程
https://edu.csdn.net/lecturer/6176

相关下载

想高屋建瓴的学习算法，请下载《喜缺全书算法册》doc版
https://download.csdn.net/download/he_zhidan/88348653

我想对大家说的话
《喜缺全书算法册》以原理、正确性证明、总结为主。
闻缺陷则喜是一个美好的愿望，早发现问题，早修改问题，给老板节约钱。
子墨子言之：事无终始，无务多业。也就是我们常说的专业的人做专业的事。
如果程序是一条龙，那算法就是他的是睛

测试环境

操作系统：win7 开发环境： VS2019 C++17
或者 操作系统：win10 开发环境： VS2022 C++17
如无特殊说明，本算法用**C++**实现。