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473. 火柴拼正方形

English Version

题目描述

你将得到一个整数数组 matchsticks ，其中 matchsticks[i] 是第 i 个火柴棒的长度。你要用 所有的火柴棍 拼成一个正方形。你 不能折断 任何一根火柴棒，但你可以把它们连在一起，而且每根火柴棒必须 使用一次 。

如果你能使这个正方形，则返回 true ，否则返回 false 。

 

示例 1:

输入: matchsticks = [1,1,2,2,2]
输出: true
解释: 能拼成一个边长为2的正方形，每边两根火柴。

示例 2:

输入: matchsticks = [3,3,3,3,4]
输出: false
解释: 不能用所有火柴拼成一个正方形。

 

提示:

  • 1 <= matchsticks.length <= 15
  • 1 <= matchsticks[i] <= 108

解法

方法一：排序 + 回溯

用 $edges[i]$ 记录正方形每条边当前的长度，对于第 $u$ 根火柴，尝试把它加到 $edges[i]$ 每条边，若加入后 $edges[i]$ 不超过正方形期望长度 $x$，则继续往下递归 $u+1$ 根火柴。若所有火柴都能被加入，说明满足拼成正方形的要求。

这里对 $matchsticks$ 从大到小排序，可以减少搜索次数。

时间复杂度 $O(4^n)$，其中 $n$ 表示 $matchsticks$ 的长度。每根火柴可以被放入正方形的 $4$ 条边，共有 $n$ 根火柴。

方法二：状态压缩 + 记忆化搜索

记当前火柴被划分的情况为 $state$。对于第 $i$ 个数，若 $state \ &amp; \ (1&lt;&lt;i)=0$，说明第 $i$ 个火柴棒未被划分。我们的目标是从全部数字中凑出 $k$ 个和为 $s$ 的子集。

记当前子集的和为 $t$。在未划分第 $i$ 个火柴棒时：

  • 若 $t+matchsticks[i]&gt;s$，说明第 $i$ 个火柴棒不能被添加到当前子集中，由于我们对 $matchsticks$ 数组进行升序排列，因此从 $matchsticks$ 从第 $i$ 个火柴棒开始的所有数字都不能被添加到当前子集，直接返回 $false$。
  • 否则，将第 $i$ 个火柴棒添加到当前子集中，状态变为 $state \ |\ (1&lt;&lt;i)$，继续对未划分的数字进行搜索。

注：若 $t+matchsticks[i]==s$，说明恰好可以得到一个和为 $s$ 的子集，下一步将 $t$ 归零（可以通过 $(t+matchsticks[i]) %s$ 实现），并继续划分下一个子集。

Python3

class Solution:
    def makesquare(self, matchsticks: List[int]) -> bool:
        def dfs(u):
            if u == len(matchsticks):
                return True
            for i in range(4):
                if i > 0 and edges[i - 1] == edges[i]:
                    continue
                edges[i] += matchsticks[u]
                if edges[i] <= x and dfs(u + 1):
                    return True
                edges[i] -= matchsticks[u]
            return False

        x, mod = divmod(sum(matchsticks), 4)
        if mod or x < max(matchsticks):
            return False
        edges = [0] * 4
        matchsticks.sort(reverse=True)
        return dfs(0)
class Solution:
    def makesquare(self, matchsticks: List[int]) -> bool:
        @cache
        def dfs(state, t):
            if state == (1 << len(matchsticks)) - 1:
                return True
            for i, v in enumerate(matchsticks):
                if (state & (1 << i)):
                    continue
                if t + v > s:
                    break
                if dfs(state | (1 << i), (t + v) % s):
                    return True
            return False

        s, mod = divmod(sum(matchsticks), 4)
        matchsticks.sort()
        if mod:
            return False
        return dfs(0, 0)

Java

class Solution {
    public boolean makesquare(int[] matchsticks) {
        int s = 0, mx = 0;
        for (int v : matchsticks) {
            s += v;
            mx = Math.max(mx, v);
        }
        int x = s / 4, mod = s % 4;
        if (mod != 0 || x < mx) {
            return false;
        }
        Arrays.sort(matchsticks);
        int[] edges = new int[4];
        return dfs(matchsticks.length - 1, x, matchsticks, edges);
    }

    private boolean dfs(int u, int x, int[] matchsticks, int[] edges) {
        if (u < 0) {
            return true;
        }
        for (int i = 0; i < 4; ++i) {
            if (i > 0 && edges[i - 1] == edges[i]) {
                continue;
            }
            edges[i] += matchsticks[u];
            if (edges[i] <= x && dfs(u - 1, x, matchsticks, edges)) {
                return true;
            }
            edges[i] -= matchsticks[u];
        }
        return false;
    }
}

C++

class Solution {
public:
    bool makesquare(vector<int>& matchsticks) {
        int s = 0, mx = 0;
        for (int& v : matchsticks) {
            s += v;
            mx = max(mx, v);
        }
        int x = s / 4, mod = s % 4;
        if (mod != 0 || x < mx) return false;
        sort(matchsticks.begin(), matchsticks.end(), greater<int>());
        vector<int> edges(4);
        return dfs(0, x, matchsticks, edges);
    }

    bool dfs(int u, int x, vector<int>& matchsticks, vector<int>& edges) {
        if (u == matchsticks.size()) return true;
        for (int i = 0; i < 4; ++i) {
            if (i > 0 && edges[i - 1] == edges[i]) continue;
            edges[i] += matchsticks[u];
            if (edges[i] <= x && dfs(u + 1, x, matchsticks, edges)) return true;
            edges[i] -= matchsticks[u];
        }
        return false;
    }
};

Go

func makesquare(matchsticks []int) bool {
	s := 0
	for _, v := range matchsticks {
		s += v
	}
	if s%4 != 0 {
		return false
	}
	sort.Sort(sort.Reverse(sort.IntSlice(matchsticks)))
	edges := make([]int, 4)
	var dfs func(u, x int) bool
	dfs = func(u, x int) bool {
		if u == len(matchsticks) {
			return true
		}
		for i := 0; i < 4; i++ {
			if i > 0 && edges[i-1] == edges[i] {
				continue
			}
			edges[i] += matchsticks[u]
			if edges[i] <= x && dfs(u+1, x) {
				return true
			}
			edges[i] -= matchsticks[u]
		}
		return false
	}
	return dfs(0, s/4)
}

Rust

impl Solution {
    pub fn makesquare(matchsticks: Vec<i32>) -> bool {
        let mut matchsticks = matchsticks;

        fn dfs(matchsticks: &Vec<i32>, edges: &mut [i32; 4], u: usize, x: i32) -> bool {
            if u == matchsticks.len() {
                return true;
            }
            for i in 0..4 {
                if i > 0 && edges[i - 1] == edges[i] {
                    continue;
                }
                edges[i] += matchsticks[u];
                if edges[i] <= x && dfs(matchsticks, edges, u + 1, x) {
                    return true;
                }
                edges[i] -= matchsticks[u];
            }
            false
        }

        let sum: i32 = matchsticks.iter().sum();
        if sum % 4 != 0 {
            return false;
        }
        matchsticks.sort_by(|x, y| y.cmp(x));
        let mut edges = [0; 4];

        dfs(&matchsticks, &mut edges, 0, sum / 4)
    }
}

...