0494-目标和

Raphael Liu Lv10
  2023-09-13 00:47:26 2023-09-13 00:47:26 Created   2023-09-13 16:06:30 2023-09-13 16:06:30 Updated    

给你一个非负整数数组 nums 和一个整数 target 。

向数组中的每个整数前添加 '+' 或 '-' ，然后串联起所有整数，可以构造一个 表达式 ：

  • 例如，nums = [2, 1] ，可以在 2 之前添加 '+' ，在 1 之前添加 '-' ，然后串联起来得到表达式 "+2-1" 。

返回可以通过上述方法构造的、运算结果等于 target 的不同 表达式 的数目。

示例 1：

**输入：** nums = [1,1,1,1,1], target = 3
**输出：** 5
**解释：** 一共有 5 种方法让最终目标和为 3 。
-1 + 1 + 1 + 1 + 1 = 3
+1 - 1 + 1 + 1 + 1 = 3
+1 + 1 - 1 + 1 + 1 = 3
+1 + 1 + 1 - 1 + 1 = 3
+1 + 1 + 1 + 1 - 1 = 3

示例 2：

**输入：** nums = [1], target = 1
**输出：** 1

提示：

  • 1 <= nums.length <= 20
  • 0 <= nums[i] <= 1000
  • 0 <= sum(nums[i]) <= 1000
  • -1000 <= target <= 1000

方法一：回溯

数组 nums 的每个元素都可以添加符号 + 或 -，因此每个元素有 2 种添加符号的方法，n 个数共有 2^n 种添加符号的方法，对应 2^n 种不同的表达式。当 n 个元素都添加符号之后，即得到一种表达式，如果表达式的结果等于目标数 target，则该表达式即为符合要求的表达式。

可以使用回溯的方法遍历所有的表达式，回溯过程中维护一个计数器 count，当遇到一种表达式的结果等于目标数 target 时，将 count 的值加 1。遍历完所有的表达式之后，即可得到结果等于目标数 target 的表达式的数目。

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class Solution {
    int count = 0;

    public int findTargetSumWays(int[] nums, int target) {
        backtrack(nums, target, 0, 0);
        return count;
    }

    public void backtrack(int[] nums, int target, int index, int sum) {
        if (index == nums.length) {
            if (sum == target) {
                count++;
            }
        } else {
            backtrack(nums, target, index + 1, sum + nums[index]);
            backtrack(nums, target, index + 1, sum - nums[index]);
        }
    }
}
[sol1-C#]
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public class Solution {
    int count = 0;

    public int FindTargetSumWays(int[] nums, int target) {
        Backtrack(nums, target, 0, 0);
        return count;
    }

    public void Backtrack(int[] nums, int target, int index, int sum) {
        if (index == nums.Length) {
            if (sum == target) {
                count++;
            }
        } else {
            Backtrack(nums, target, index + 1, sum + nums[index]);
            Backtrack(nums, target, index + 1, sum - nums[index]);
        }
    }
}
[sol1-JavaScript]
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var findTargetSumWays = function(nums, target) {
    let count = 0;
    const backtrack = (nums, target, index, sum) => {
        if (index === nums.length) {
            if (sum === target) {
                count++;
            }
        } else {
            backtrack(nums, target, index + 1, sum + nums[index]);
            backtrack(nums, target, index + 1, sum - nums[index]);
        }
    }
    
    backtrack(nums, target, 0, 0);
    return count;
};
[sol1-Golang]
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func findTargetSumWays(nums []int, target int) (count int) {
    var backtrack func(int, int)
    backtrack = func(index, sum int) {
        if index == len(nums) {
            if sum == target {
                count++
            }
            return
        }
        backtrack(index+1, sum+nums[index])
        backtrack(index+1, sum-nums[index])
    }
    backtrack(0, 0)
    return
}
[sol1-C++]
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class Solution {
public:
    int count = 0;

    int findTargetSumWays(vector<int>& nums, int target) {
        backtrack(nums, target, 0, 0);
        return count;
    }

    void backtrack(vector<int>& nums, int target, int index, int sum) {
        if (index == nums.size()) {
            if (sum == target) {
                count++;
            }
        } else {
            backtrack(nums, target, index + 1, sum + nums[index]);
            backtrack(nums, target, index + 1, sum - nums[index]);
        }
    }
};
[sol1-C]
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int count;

int findTargetSumWays(int* nums, int numsSize, int target) {
    count = 0;
    backtrack(nums, numsSize, target, 0, 0);
    return count;
}

void backtrack(int* nums, int numSize, int target, int index, int sum) {
    if (index == numSize) {
        if (sum == target) {
            count++;
        }
    } else {
        backtrack(nums, numSize, target, index + 1, sum + nums[index]);
        backtrack(nums, numSize, target, index + 1, sum - nums[index]);
    }
}

复杂度分析

  • 时间复杂度：O(2^n)，其中 n 是数组 nums 的长度。回溯需要遍历所有不同的表达式，共有 2^n 种不同的表达式，每种表达式计算结果需要 O(1) 的时间，因此总时间复杂度是 O(2^n)。

  • 空间复杂度：O(n)，其中 n 是数组 nums 的长度。空间复杂度主要取决于递归调用的栈空间，栈的深度不超过 n。

方法二：动态规划

记数组的元素和为 sum，添加 - 号的元素之和为 neg，则其余添加 + 的元素之和为 sum}-\textit{neg，得到的表达式的结果为

(\textit{sum}-\textit{neg})-\textit{neg}=\textit{sum}-2\cdot\textit{neg}=\textit{target}

即

\textit{neg}=\dfrac{\textit{sum}-\textit{target}}{2}

由于数组 nums 中的元素都是非负整数，neg 也必须是非负整数，所以上式成立的前提是 sum}-\textit{target 是非负偶数。若不符合该条件可直接返回 0。

若上式成立，问题转化成在数组 nums 中选取若干元素，使得这些元素之和等于 neg，计算选取元素的方案数。我们可以使用动态规划的方法求解。

定义二维数组 dp，其中 dp}[i][j] 表示在数组 nums 的前 i 个数中选取元素，使得这些元素之和等于 j 的方案数。假设数组 nums 的长度为 n，则最终答案为 dp}[n][\textit{neg}]。

当没有任何元素可以选取时，元素和只能是 0，对应的方案数是 1，因此动态规划的边界条件是：

\textit{dp}[0][j]=\begin{cases}
1, & j=0 \
0, & j \ge 1
\end{cases}

当 1 \le i \le n 时，对于数组 nums 中的第 i 个元素 num（i 的计数从 1 开始），遍历 0 \le j \le \textit{neg，计算 dp}[i][j] 的值：

  • 如果 j < \textit{num，则不能选 num，此时有 dp}[i][j] = \textit{dp}[i - 1][j]；

  • 如果 j \ge \textit{num，则如果不选 num，方案数是 dp}[i - 1][j]，如果选 num，方案数是 dp}[i - 1][j - \textit{num}]，此时有 dp}[i][j] = \textit{dp}[i - 1][j] + \textit{dp}[i - 1][j - \textit{num}]。

因此状态转移方程如下：

\textit{dp}[i][j]=\begin{cases}
\textit{dp}[i - 1][j], & j<\textit{nums}[i] \
\textit{dp}[i - 1][j] + \textit{dp}[i - 1][j - \textit{nums}[i]], & j \ge \textit{nums}[i]
\end{cases}

最终得到 dp}[n][\textit{neg}] 的值即为答案。

由此可以得到空间复杂度为 O(n \times \textit{neg}) 的实现。

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class Solution {
    public int findTargetSumWays(int[] nums, int target) {
        int sum = 0;
        for (int num : nums) {
            sum += num;
        }
        int diff = sum - target;
        if (diff < 0 || diff % 2 != 0) {
            return 0;
        }
        int n = nums.length, neg = diff / 2;
        int[][] dp = new int[n + 1][neg + 1];
        dp[0][0] = 1;
        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            int num = nums[i - 1];
            for (int j = 0; j <= neg; j++) {
                dp[i][j] = dp[i - 1][j];
                if (j >= num) {
                    dp[i][j] += dp[i - 1][j - num];
                }
            }
        }
        return dp[n][neg];
    }
}
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public class Solution {
    public int FindTargetSumWays(int[] nums, int target) {
        int sum = 0;
        foreach (int num in nums) {
            sum += num;
        }
        int diff = sum - target;
        if (diff < 0 || diff % 2 != 0) {
            return 0;
        }
        int n = nums.Length, neg = diff / 2;
        int[,] dp = new int[n + 1, neg + 1];
        dp[0, 0] = 1;
        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            int num = nums[i - 1];
            for (int j = 0; j <= neg; j++) {
                dp[i, j] = dp[i - 1, j];
                if (j >= num) {
                    dp[i, j] += dp[i - 1, j - num];
                }
            }
        }
        return dp[n, neg];
    }
}
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var findTargetSumWays = function(nums, target) {
    let sum = 0;
    for (const num of nums) {
        sum += num;
    }
    const diff = sum - target;
    if (diff < 0 || diff % 2 !== 0) {
        return 0;
    }
    const n = nums.length, neg = diff / 2;
    const dp = new Array(n + 1).fill(0).map(() => new Array(neg + 1).fill(0));
    dp[0][0] = 1;
    for (let i = 1; i <= n; i++) {
        const num = nums[i - 1];
        for (let j = 0; j <= neg; j++) {
            dp[i][j] = dp[i - 1][j];
            if (j >= num) {
                dp[i][j] += dp[i - 1][j - num];
            }
        }
    }
    return dp[n][neg];
};
[sol2-Golang]
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func findTargetSumWays(nums []int, target int) int {
    sum := 0
    for _, v := range nums {
        sum += v
    }
    diff := sum - target
    if diff < 0 || diff%2 == 1 {
        return 0
    }
    n, neg := len(nums), diff/2
    dp := make([][]int, n+1)
    for i := range dp {
        dp[i] = make([]int, neg+1)
    }
    dp[0][0] = 1
    for i, num := range nums {
        for j := 0; j <= neg; j++ {
            dp[i+1][j] = dp[i][j]
            if j >= num {
                dp[i+1][j] += dp[i][j-num]
            }
        }
    }
    return dp[n][neg]
}
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class Solution {
public:
    int findTargetSumWays(vector<int>& nums, int target) {
        int sum = 0;
        for (int& num : nums) {
            sum += num;
        }
        int diff = sum - target;
        if (diff < 0 || diff % 2 != 0) {
            return 0;
        }
        int n = nums.size(), neg = diff / 2;
        vector<vector<int>> dp(n + 1, vector<int>(neg + 1));
        dp[0][0] = 1;
        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            int num = nums[i - 1];
            for (int j = 0; j <= neg; j++) {
                dp[i][j] = dp[i - 1][j];
                if (j >= num) {
                    dp[i][j] += dp[i - 1][j - num];
                }
            }
        }
        return dp[n][neg];
    }
};
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int findTargetSumWays(int* nums, int numsSize, int target) {
    int sum = 0;
    for (int i = 0; i < numsSize; i++) {
        sum += nums[i];
    }
    int diff = sum - target;
    if (diff < 0 || diff % 2 != 0) {
        return 0;
    }
    int n = numsSize, neg = diff / 2;
    int dp[n + 1][neg + 1];
    memset(dp, 0, sizeof(dp));
    dp[0][0] = 1;
    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        int num = nums[i - 1];
        for (int j = 0; j <= neg; j++) {
            dp[i][j] = dp[i - 1][j];
            if (j >= num) {
                dp[i][j] += dp[i - 1][j - num];
            }
        }
    }
    return dp[n][neg];
}

由于 dp 的每一行的计算只和上一行有关，因此可以使用滚动数组的方式，去掉 dp 的第一个维度，将空间复杂度优化到 O(\textit{neg})。

实现时，内层循环需采用倒序遍历的方式，这种方式保证转移来的是 dp}[i-1][] 中的元素值。

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class Solution {
    public int findTargetSumWays(int[] nums, int target) {
        int sum = 0;
        for (int num : nums) {
            sum += num;
        }
        int diff = sum - target;
        if (diff < 0 || diff % 2 != 0) {
            return 0;
        }
        int neg = diff / 2;
        int[] dp = new int[neg + 1];
        dp[0] = 1;
        for (int num : nums) {
            for (int j = neg; j >= num; j--) {
                dp[j] += dp[j - num];
            }
        }
        return dp[neg];
    }
}
[sol3-C#]
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public class Solution {
    public int FindTargetSumWays(int[] nums, int target) {
        int sum = 0;
        foreach (int num in nums) {
            sum += num;
        }
        int diff = sum - target;
        if (diff < 0 || diff % 2 != 0) {
            return 0;
        }
        int neg = diff / 2;
        int[] dp = new int[neg + 1];
        dp[0] = 1;
        foreach (int num in nums) {
            for (int j = neg; j >= num; j--) {
                dp[j] += dp[j - num];
            }
        }
        return dp[neg];
    }
}
[sol3-JavaScript]
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var findTargetSumWays = function(nums, target) {
    let sum = 0;
    for (const num of nums) {
        sum += num;
    }
    const diff = sum - target;
    if (diff < 0 || diff % 2 !== 0) {
        return 0;
    }
    const neg = Math.floor(diff / 2);
    const dp = new Array(neg + 1).fill(0);
    dp[0] = 1;
    for (const num of nums) {
        for (let j = neg; j >= num; j--) {
            dp[j] += dp[j - num];
        }
    }
    return dp[neg];
};
[sol3-Golang]
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func findTargetSumWays(nums []int, target int) int {
    sum := 0
    for _, v := range nums {
        sum += v
    }
    diff := sum - target
    if diff < 0 || diff%2 == 1 {
        return 0
    }
    neg := diff / 2
    dp := make([]int, neg+1)
    dp[0] = 1
    for _, num := range nums {
        for j := neg; j >= num; j-- {
            dp[j] += dp[j-num]
        }
    }
    return dp[neg]
}
[sol3-C++]
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class Solution {
public:
    int findTargetSumWays(vector<int>& nums, int target) {
        int sum = 0;
        for (int& num : nums) {
            sum += num;
        }
        int diff = sum - target;
        if (diff < 0 || diff % 2 != 0) {
            return 0;
        }
        int neg = diff / 2;
        vector<int> dp(neg + 1);
        dp[0] = 1;
        for (int& num : nums) {
            for (int j = neg; j >= num; j--) {
                dp[j] += dp[j - num];
            }
        }
        return dp[neg];
    }
};
[sol3-C]
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int findTargetSumWays(int* nums, int numsSize, int target) {
    int sum = 0;
    for (int i = 0; i < numsSize; i++) {
        sum += nums[i];
    }
    int diff = sum - target;
    if (diff < 0 || diff % 2 != 0) {
        return 0;
    }
    int neg = diff / 2;
    int dp[neg + 1];
    memset(dp, 0, sizeof(dp));
    dp[0] = 1;
    for (int i = 0; i < numsSize; i++) {
        int num = nums[i];
        for (int j = neg; j >= num; j--) {
            dp[j] += dp[j - num];
        }
    }
    return dp[neg];
}

复杂度分析

  • 时间复杂度：O(n \times (\textit{sum}-\textit{target}))，其中 n 是数组 nums 的长度，sum 是数组 nums 的元素和，target 是目标数。动态规划有 (n+1) \times (\dfrac{\textit{sum}-\textit{target}}{2}+1) 个状态，需要计算每个状态的值。

  • 空间复杂度：O(\textit{sum}-\textit{target})，其中 sum 是数组 nums 的元素和，target 是目标数。使用空间优化的实现，需要创建长度为 \dfrac{\textit{sum}-\textit{target}}{2}+1 的数组 dp。

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