面试题 17.06. 2出现的次数

• 标签：递归、数学、动态规划
• 难度：困难

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题目大意

描述：给定一个整数 $n$。

要求：计算从 $0$ 到 $n$ (包含 $n$) 中数字 $2$ 出现的次数。

说明：

• $n \le 10^9$。

示例：

• 示例 1：

输入: 25
输出: 9
解释: (2, 12, 20, 21, 22, 23, 24, 25)(注意 22 应该算作两次)

解题思路

思路 1：动态规划 + 数位 DP

将 $n$ 转换为字符串 $s$，定义递归函数 def dfs(pos, cnt, isLimit): 表示构造第 $pos$ 位及之后所有数位中数字 $2$ 出现的个数。接下来按照如下步骤进行递归。

1. 从 dfs(0, 0, True) 开始递归。 dfs(0, 0, True) 表示：
   1. 从位置 $0$ 开始构造。
   2. 初始数字 $2$ 出现的个数为 $0$。
   3. 开始时受到数字 $n$ 对应最高位数位的约束。
2. 如果遇到 $pos == len(s)$，表示到达数位末尾，此时：返回数字 $2$ 出现的个数 $cnt$。
3. 如果 $pos \ne len(s)$，则定义方案数 $ans$，令其等于 $0$，即：ans = 0。
4. 如果遇到 $isNum == False$，说明之前位数没有填写数字，当前位可以跳过，这种情况下方案数等于 $pos + 1$ 位置上没有受到 $pos$ 位的约束，并且之前没有填写数字时的方案数，即：ans = dfs(i + 1, state, False, False)。
5. 如果 $isNum == True$，则当前位必须填写一个数字。此时：
   1. 因为不需要考虑前导 $0$ 所以当前位数位所能选择的最小数字（$minX$）为 $0$。
   2. 根据 $isLimit$ 来决定填当前位数位所能选择的最大数字（$maxX$）。
   3. 然后根据 $[minX, maxX]$ 来枚举能够填入的数字 $d$。
   4. 方案数累加上当前位选择 $d$ 之后的方案数，即：ans += dfs(pos + 1, cnt + (d == 2), isLimit and d == maxX)。
      1. cnt + (d == 2) 表示之前数字 $2$ 出现的个数加上当前位为数字 $2$ 的个数。
      2. isLimit and d == maxX 表示 $pos + 1$ 位受到之前位 $pos$ 位限制。
6. 最后的方案数为 dfs(0, 0, True)，将其返回即可。

思路 1：代码

class Solution:
    def numberOf2sInRange(self, n: int) -> int:
        # 将 n 转换为字符串 s
        s = str(n)
        
        @cache
        # pos: 第 pos 个数位
        # cnt: 之前数字 2 出现的个数。
        # isLimit: 表示是否受到选择限制。如果为真，则第 pos 位填入数字最多为 s[pos]；如果为假，则最大可为 9。
        def dfs(pos, cnt, isLimit):
            if pos == len(s):
                return cnt
            
            ans = 0            
            # 不需要考虑前导 0，则最小可选择数字为 0
            minX = 0
            # 如果受到选择限制，则最大可选择数字为 s[pos]，否则最大可选择数字为 9。
            maxX = int(s[pos]) if isLimit else 9
            
            # 枚举可选择的数字
            for d in range(minX, maxX + 1): 
                ans += dfs(pos + 1, cnt + (d == 2), isLimit and d == maxX)
            return ans
    
        return dfs(0, 0, True)

思路 1：复杂度分析

• 时间复杂度：$O(\log n)$。
• 空间复杂度：$O(\log n)$。