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困难
位运算
数组
动态规划
回溯
状态压缩

465. 最优账单平衡 🔒

English Version

题目描述

给你一个表示交易的数组 transactions ，其中 transactions[i] = [fromi, toi, amounti] 表示 ID = fromi 的人给 ID = toi 的人共计 amounti $ 。

请你计算并返回还清所有债务的最小交易笔数。

 

示例 1：

输入：transactions = [[0,1,10],[2,0,5]]
输出：2
解释：
#0 给 #1 $10 。
#2 给 #0 $5 。
需要进行两笔交易。一种结清债务的方式是 #1 给 #0 和 #2 各 $5 。

示例 2：

输入：transactions = [[0,1,10],[1,0,1],[1,2,5],[2,0,5]]
输出：1
解释：
#0 给 #1 $10 。
#1 给 #0 $1 。
#1 给 #2 $5 。
#2 给 #0 $5 。
因此，#1 只需要给 #0 $4 ，所有的债务即可还清。

 

提示：

  • 1 <= transactions.length <= 8
  • transactions[i].length == 3
  • 0 <= fromi, toi < 12
  • fromi != toi
  • 1 <= amounti <= 100

解法

方法一：状态压缩动态规划 + 子集枚举

我们先遍历数组 transactions，统计每个人的收支情况，然后将所有收支不为零的人的收支情况存入数组 $nums$ 中。如果我们可以找到一个子集，子集中共有 $k$ 个人，且这 $k$ 个人的收支情况之和为零，那么我们最多通过 $k-1$ 次交易，就能够使得这 $k$ 个人的收支情况全部清零。这样，我们就能将原问题转化成一个子集枚举的问题。

我们定义 $f[i]$ 表示将集合 $i$ 的所有元素的收支情况全部清零，所需的最少交易次数，初始时 $f[0]=0$，其余 $f[i]=+\infty$。

考虑 $f[i]$，其中 $i \in [1,2^m)$, $m$ 是数组 $nums$ 的长度。我们可以统计集合 $i$ 中所有元素的收支情况之和 $s$，如果 $s=0$，那么 $f[i]$ 的取值不超过 $|i|-1$，其中 $|i|$ 表示集合 $i$ 中的元素个数。然后我们可以枚举 $i$ 的所有非空子集 $j$，计算 $f[j]+f[i-j]$，其中 $f[j]$ 和 $f[i-j]$ 分别表示将集合 $j$ 和 $i-j$ 的所有元素的收支情况全部清零，所需的最少交易次数。我们可以得到状态转移方程：

$$ f[i]= \begin{cases} 0, & i=0 \\ +\infty, & i \neq 0, s \neq 0 \\ \min(|i|-1, \min_{j \subset i, j \neq \emptyset} {f[j]+f[i-j]}), & i \neq 0, s = 0 \end{cases} $$

其中 $j \subset i$ 表示 $j$ 是 $i$ 的子集，且 $j \neq \emptyset$。

最终答案即为 $f[2^m-1]$。

时间复杂度 $O(3^n)$，空间复杂度 $O(2^n)$。其中 $n$ 是人的数量，本题中 $n \leq 12$。

Python3

class Solution:
    def minTransfers(self, transactions: List[List[int]]) -> int:
        g = defaultdict(int)
        for f, t, x in transactions:
            g[f] -= x
            g[t] += x
        nums = [x for x in g.values() if x]
        m = len(nums)
        f = [inf] * (1 << m)
        f[0] = 0
        for i in range(1, 1 << m):
            s = 0
            for j, x in enumerate(nums):
                if i >> j & 1:
                    s += x
            if s == 0:
                f[i] = i.bit_count() - 1
                j = (i - 1) & i
                while j > 0:
                    f[i] = min(f[i], f[j] + f[i ^ j])
                    j = (j - 1) & i
        return f[-1]

Java

class Solution {
    public int minTransfers(int[][] transactions) {
        int[] g = new int[12];
        for (var t : transactions) {
            g[t[0]] -= t[2];
            g[t[1]] += t[2];
        }
        List<Integer> nums = new ArrayList<>();
        for (int x : g) {
            if (x != 0) {
                nums.add(x);
            }
        }
        int m = nums.size();
        int[] f = new int[1 << m];
        Arrays.fill(f, 1 << 29);
        f[0] = 0;
        for (int i = 1; i < 1 << m; ++i) {
            int s = 0;
            for (int j = 0; j < m; ++j) {
                if ((i >> j & 1) == 1) {
                    s += nums.get(j);
                }
            }
            if (s == 0) {
                f[i] = Integer.bitCount(i) - 1;
                for (int j = (i - 1) & i; j > 0; j = (j - 1) & i) {
                    f[i] = Math.min(f[i], f[j] + f[i ^ j]);
                }
            }
        }
        return f[(1 << m) - 1];
    }
}

C++

class Solution {
public:
    int minTransfers(vector<vector<int>>& transactions) {
        int g[12]{};
        for (auto& t : transactions) {
            g[t[0]] -= t[2];
            g[t[1]] += t[2];
        }
        vector<int> nums;
        for (int x : g) {
            if (x) {
                nums.push_back(x);
            }
        }
        int m = nums.size();
        int f[1 << m];
        memset(f, 0x3f, sizeof(f));
        f[0] = 0;
        for (int i = 1; i < 1 << m; ++i) {
            int s = 0;
            for (int j = 0; j < m; ++j) {
                if (i >> j & 1) {
                    s += nums[j];
                }
            }
            if (s == 0) {
                f[i] = __builtin_popcount(i) - 1;
                for (int j = (i - 1) & i; j; j = (j - 1) & i) {
                    f[i] = min(f[i], f[j] + f[i ^ j]);
                }
            }
        }
        return f[(1 << m) - 1];
    }
};

Go

func minTransfers(transactions [][]int) int {
	g := [12]int{}
	for _, t := range transactions {
		g[t[0]] -= t[2]
		g[t[1]] += t[2]
	}
	nums := []int{}
	for _, x := range g {
		if x != 0 {
			nums = append(nums, x)
		}
	}
	m := len(nums)
	f := make([]int, 1<<m)
	for i := 1; i < 1<<m; i++ {
		f[i] = 1 << 29
		s := 0
		for j, x := range nums {
			if i>>j&1 == 1 {
				s += x
			}
		}
		if s == 0 {
			f[i] = bits.OnesCount(uint(i)) - 1
			for j := (i - 1) & i; j > 0; j = (j - 1) & i {
				f[i] = min(f[i], f[j]+f[i^j])
			}
		}
	}
	return f[1<<m-1]
}

TypeScript

function minTransfers(transactions: number[][]): number {
    const g: number[] = new Array(12).fill(0);
    for (const [f, t, x] of transactions) {
        g[f] -= x;
        g[t] += x;
    }
    const nums = g.filter(x => x !== 0);
    const m = nums.length;
    const f: number[] = new Array(1 << m).fill(1 << 29);
    f[0] = 0;
    for (let i = 1; i < 1 << m; ++i) {
        let s = 0;
        for (let j = 0; j < m; ++j) {
            if (((i >> j) & 1) === 1) {
                s += nums[j];
            }
        }
        if (s === 0) {
            f[i] = bitCount(i) - 1;
            for (let j = (i - 1) & i; j; j = (j - 1) & i) {
                f[i] = Math.min(f[i], f[j] + f[i ^ j]);
            }
        }
    }
    return f[(1 << m) - 1];
}

function bitCount(i: number): number {
    i = i - ((i >>> 1) & 0x55555555);
    i = (i & 0x33333333) + ((i >>> 2) & 0x33333333);
    i = (i + (i >>> 4)) & 0x0f0f0f0f;
    i = i + (i >>> 8);
    i = i + (i >>> 16);
    return i & 0x3f;
}