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leetcode-master/problems/0123.买卖股票的最佳时机III.md
2025-05-19 17:11:04 +08:00

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# 123.买卖股票的最佳时机III
[力扣题目链接](https://leetcode.cn/problems/best-time-to-buy-and-sell-stock-iii/)
给定一个数组,它的第 i 个元素是一支给定的股票在第 i 天的价格。
设计一个算法来计算你所能获取的最大利润。你最多可以完成 两笔 交易。
注意:你不能同时参与多笔交易(你必须在再次购买前出售掉之前的股票)。
* 示例 1:
* 输入prices = [3,3,5,0,0,3,1,4]
* 输出6
解释:在第 4 天(股票价格 = 0的时候买入在第 6 天(股票价格 = 3的时候卖出这笔交易所能获得利润 = 3-0 = 3 。随后,在第 7 天(股票价格 = 1的时候买入在第 8 天 (股票价格 = 4的时候卖出这笔交易所能获得利润 = 4-1 = 3。
* 示例 2
* 输入prices = [1,2,3,4,5]
* 输出4
解释:在第 1 天(股票价格 = 1的时候买入在第 5 天 (股票价格 = 5的时候卖出, 这笔交易所能获得利润 = 5-1 = 4。注意你不能在第 1 天和第 2 天接连购买股票,之后再将它们卖出。因为这样属于同时参与了多笔交易,你必须在再次购买前出售掉之前的股票。
* 示例 3
* 输入prices = [7,6,4,3,1]
* 输出0
解释:在这个情况下, 没有交易完成, 所以最大利润为0。
* 示例 4
* 输入prices = [1]
输出0
提示:
* 1 <= prices.length <= 10^5
* 0 <= prices[i] <= 10^5
## 算法公开课
**[《代码随想录》算法视频公开课](https://programmercarl.com/other/gongkaike.html)[动态规划,股票至多买卖两次,怎么求? | LeetCode123.买卖股票最佳时机III](https://www.bilibili.com/video/BV1WG411K7AR),相信结合视频再看本篇题解,更有助于大家对本题的理解**。
## 思路
这道题目相对 [121.买卖股票的最佳时机](https://programmercarl.com/0121.买卖股票的最佳时机.html) 和 [122.买卖股票的最佳时机II](https://programmercarl.com/0122.买卖股票的最佳时机II.html) 难了不少。
关键在于至多买卖两次,这意味着可以买卖一次,可以买卖两次,也可以不买卖。
接来下我用动态规划五部曲详细分析一下:
1. 确定dp数组以及下标的含义
一天一共就有五个状态,
0. 没有操作 (其实我们也可以不设置这个状态)
1. 第一次持有股票
2. 第一次不持有股票
3. 第二次持有股票
4. 第二次不持有股票
dp[i][j]中 i表示第i天j为 [0 - 4] 五个状态dp[i][j]表示第i天状态j所剩最大现金。
需要注意dp[i][1]**表示的是第i天买入股票的状态并不是说一定要第i天买入股票这是很多同学容易陷入的误区**。
例如 dp[i][1] ,并不是说 第i天一定买入股票有可能 第 i-1天 就买入了,那么 dp[i][1] 延续买入股票的这个状态。
2. 确定递推公式
达到dp[i][1]状态,有两个具体操作:
* 操作一第i天买入股票了那么dp[i][1] = dp[i-1][0] - prices[i]
* 操作二第i天没有操作而是沿用前一天买入的状态dp[i][1] = dp[i - 1][1]
那么dp[i][1]究竟选 dp[i-1][0] - prices[i]还是dp[i - 1][1]呢?
一定是选最大的,所以 dp[i][1] = max(dp[i-1][0] - prices[i], dp[i - 1][1]);
同理dp[i][2]也有两个操作:
* 操作一第i天卖出股票了那么dp[i][2] = dp[i - 1][1] + prices[i]
* 操作二第i天没有操作沿用前一天卖出股票的状态dp[i][2] = dp[i - 1][2]
所以dp[i][2] = max(dp[i - 1][1] + prices[i], dp[i - 1][2])
同理可推出剩下状态部分:
dp[i][3] = max(dp[i - 1][3], dp[i - 1][2] - prices[i]);
dp[i][4] = max(dp[i - 1][4], dp[i - 1][3] + prices[i]);
3. dp数组如何初始化
第0天没有操作这个最容易想到就是0dp[0][0] = 0;
第0天做第一次买入的操作dp[0][1] = -prices[0];
第0天做第一次卖出的操作这个初始值应该是多少呢
此时还没有买入,怎么就卖出呢? 其实大家可以理解当天买入当天卖出所以dp[0][2] = 0;
第0天第二次买入操作初始值应该是多少呢应该不少同学疑惑第一次还没买入呢怎么初始化第二次买入呢
第二次买入依赖于第一次卖出的状态其实相当于第0天第一次买入了第一次卖出了然后再买入一次第二次买入那么现在手头上没有现金只要买入现金就做相应的减少。
所以第二次买入操作初始化为dp[0][3] = -prices[0];
同理第二次卖出初始化dp[0][4] = 0;
4. 确定遍历顺序
从递归公式其实已经可以看出一定是从前向后遍历因为dp[i]依靠dp[i - 1]的数值。
5. 举例推导dp数组
以输入[1,2,3,4,5]为例
![123.买卖股票的最佳时机III](https://file1.kamacoder.com/i/algo/20201228181724295-20230310134201291.png)
大家可以看到红色框为最后两次卖出的状态。
现在最大的时候一定是卖出的状态而两次卖出的状态现金最大一定是最后一次卖出。如果想不明白的录友也可以这么理解如果第一次卖出已经是最大值了那么我们可以在当天立刻买入再立刻卖出。所以dp[4][4]已经包含了dp[4][2]的情况。也就是说第二次卖出手里所剩的钱一定是最多的。
所以最终最大利润是dp[4][4]
以上五部都分析完了,不难写出如下代码:
```CPP
// 版本一
class Solution {
public:
int maxProfit(vector<int>& prices) {
if (prices.size() == 0) return 0;
vector<vector<int>> dp(prices.size(), vector<int>(5, 0));
dp[0][1] = -prices[0];
dp[0][3] = -prices[0];
for (int i = 1; i < prices.size(); i++) {
dp[i][0] = dp[i - 1][0];
dp[i][1] = max(dp[i - 1][1], dp[i - 1][0] - prices[i]);
dp[i][2] = max(dp[i - 1][2], dp[i - 1][1] + prices[i]);
dp[i][3] = max(dp[i - 1][3], dp[i - 1][2] - prices[i]);
dp[i][4] = max(dp[i - 1][4], dp[i - 1][3] + prices[i]);
}
return dp[prices.size() - 1][4];
}
};
```
* 时间复杂度O(n)
* 空间复杂度O(n × 5)
当然大家可以看到力扣官方题解里的一种优化空间写法我这里给出对应的C++版本:
```CPP
// 版本二
class Solution {
public:
int maxProfit(vector<int>& prices) {
if (prices.size() == 0) return 0;
vector<int> dp(5, 0);
dp[1] = -prices[0];
dp[3] = -prices[0];
for (int i = 1; i < prices.size(); i++) {
dp[1] = max(dp[1], dp[0] - prices[i]);
dp[2] = max(dp[2], dp[1] + prices[i]);
dp[3] = max(dp[3], dp[2] - prices[i]);
dp[4] = max(dp[4], dp[3] + prices[i]);
}
return dp[4];
}
};
```
* 时间复杂度O(n)
* 空间复杂度O(1)
大家会发现dp[2]利用的是当天的dp[1]。 但结果也是对的。
我来简单解释一下:
dp[1] = max(dp[1], dp[0] - prices[i]); 如果dp[1]取dp[1],即保持买入股票的状态,那么 dp[2] = max(dp[2], dp[1] + prices[i]);中dp[1] + prices[i] 就是今天卖出。
如果dp[1]取dp[0] - prices[i]今天买入股票那么dp[2] = max(dp[2], dp[1] + prices[i]);中的dp[1] + prices[i]相当于是今天再卖出股票一买一卖收益为0对所得现金没有影响。相当于今天买入股票又卖出股票等于没有操作保持昨天卖出股票的状态了。
**这种写法看上去简单,其实思路很绕,不建议大家这么写,这么思考,很容易把自己绕进去!**
对于本题,把版本一的写法研究明白,足以!
## 拓展
其实我们可以不设置0. 没有操作’ 这个状态因为没有操作手上的现金自然就是0 正如我们在 [121.买卖股票的最佳时机](https://programmercarl.com/0121.买卖股票的最佳时机.html) 和 [122.买卖股票的最佳时机II](https://programmercarl.com/0122.买卖股票的最佳时机II.html) 也没有设置这一状态是一样的。
代码如下:
``` CPP
// 版本三
class Solution {
public:
int maxProfit(vector<int>& prices) {
if (prices.size() == 0) return 0;
vector<vector<int>> dp(prices.size(), vector<int>(5, 0));
dp[0][1] = -prices[0];
dp[0][3] = -prices[0];
for (int i = 1; i < prices.size(); i++) {
dp[i][1] = max(dp[i - 1][1], 0 - prices[i]);
dp[i][2] = max(dp[i - 1][2], dp[i - 1][1] + prices[i]);
dp[i][3] = max(dp[i - 1][3], dp[i - 1][2] - prices[i]);
dp[i][4] = max(dp[i - 1][4], dp[i - 1][3] + prices[i]);
}
return dp[prices.size() - 1][4];
}
};
```
## 其他语言版本
### Java:
```java
// 版本一
class Solution {
public int maxProfit(int[] prices) {
int len = prices.length;
// 边界判断, 题目中 length >= 1, 所以可省去
if (prices.length == 0) return 0;
/*
* 定义 5 种状态:
* 0: 没有操作, 1: 第一次买入, 2: 第一次卖出, 3: 第二次买入, 4: 第二次卖出
*/
int[][] dp = new int[len][5];
dp[0][1] = -prices[0];
// 初始化第二次买入的状态是确保 最后结果是最多两次买卖的最大利润
dp[0][3] = -prices[0];
for (int i = 1; i < len; i++) {
dp[i][1] = Math.max(dp[i - 1][1], -prices[i]);
dp[i][2] = Math.max(dp[i - 1][2], dp[i - 1][1] + prices[i]);
dp[i][3] = Math.max(dp[i - 1][3], dp[i - 1][2] - prices[i]);
dp[i][4] = Math.max(dp[i - 1][4], dp[i - 1][3] + prices[i]);
}
return dp[len - 1][4];
}
}
// 版本二: 空间优化
class Solution {
public int maxProfit(int[] prices) {
int[] dp = new int[4];
// 存储两次交易的状态就行了
// dp[0]代表第一次交易的买入
dp[0] = -prices[0];
// dp[1]代表第一次交易的卖出
dp[1] = 0;
// dp[2]代表第二次交易的买入
dp[2] = -prices[0];
// dp[3]代表第二次交易的卖出
dp[3] = 0;
for(int i = 1; i <= prices.length; i++){
// 要么保持不变,要么没有就买,有了就卖
dp[0] = Math.max(dp[0], -prices[i-1]);
dp[1] = Math.max(dp[1], dp[0]+prices[i-1]);
// 这已经是第二次交易了,所以得加上前一次交易卖出去的收获
dp[2] = Math.max(dp[2], dp[1]-prices[i-1]);
dp[3] = Math.max(dp[3], dp[2]+ prices[i-1]);
}
return dp[3];
}
}
```
### Python:
> 版本一:
```python
class Solution:
def maxProfit(self, prices: List[int]) -> int:
if len(prices) == 0:
return 0
dp = [[0] * 5 for _ in range(len(prices))]
dp[0][1] = -prices[0]
dp[0][3] = -prices[0]
for i in range(1, len(prices)):
dp[i][0] = dp[i-1][0]
dp[i][1] = max(dp[i-1][1], dp[i-1][0] - prices[i])
dp[i][2] = max(dp[i-1][2], dp[i-1][1] + prices[i])
dp[i][3] = max(dp[i-1][3], dp[i-1][2] - prices[i])
dp[i][4] = max(dp[i-1][4], dp[i-1][3] + prices[i])
return dp[-1][4]
```
> 版本二:
```python
class Solution:
def maxProfit(self, prices: List[int]) -> int:
if len(prices) == 0:
return 0
dp = [0] * 5
dp[1] = -prices[0]
dp[3] = -prices[0]
for i in range(1, len(prices)):
dp[1] = max(dp[1], dp[0] - prices[i])
dp[2] = max(dp[2], dp[1] + prices[i])
dp[3] = max(dp[3], dp[2] - prices[i])
dp[4] = max(dp[4], dp[3] + prices[i])
return dp[4]
```
### Go:
> 版本一
```go
func maxProfit(prices []int) int {
dp := make([][]int, len(prices))
for i := 0; i < len(prices); i++ {
dp[i] = make([]int, 5)
}
dp[0][0] = 0
dp[0][1] = -prices[0]
dp[0][2] = 0
dp[0][3] = -prices[0]
dp[0][4] = 0
for i := 1; i < len(prices); i++ {
dp[i][0] = dp[i-1][0]
dp[i][1] = max(dp[i-1][1], dp[i-1][0] - prices[i])
dp[i][2] = max(dp[i-1][2], dp[i-1][1] + prices[i])
dp[i][3] = max(dp[i-1][3], dp[i-1][2] - prices[i])
dp[i][4] = max(dp[i-1][4], dp[i-1][3] + prices[i])
}
return dp[len(prices)-1][4]
}
func max(a, b int) int {
if a > b {
return a
}
return b
}
```
> 版本二
```go
func maxProfit(prices []int) int {
if len(prices) == 0 {
return 0
}
dp := make([]int, 5)
dp[1] = -prices[0]
dp[3] = -prices[0]
for i := 1; i < len(prices); i++ {
dp[1] = max(dp[1], dp[0] - prices[i])
dp[2] = max(dp[2], dp[1] + prices[i])
dp[3] = max(dp[3], dp[2] - prices[i])
dp[4] = max(dp[4], dp[3] + prices[i])
}
return dp[4]
}
func max(x, y int) int {
if x > y {
return x
}
return y
}
```
> 版本三
```go
func maxProfit(prices []int) int {
if len(prices) == 0 {
return 0
}
dp := make([][5]int, len(prices))
dp[0][1] = -prices[0]
dp[0][3] = -prices[0]
for i := 1; i < len(prices); i++ {
dp[i][1] = max(dp[i-1][1], 0 - prices[i])
dp[i][2] = max(dp[i-1][2], dp[i-1][1] + prices[i])
dp[i][3] = max(dp[i-1][3], dp[i-1][2] - prices[i])
dp[i][4] = max(dp[i-1][4], dp[i-1][3] + prices[i])
}
return dp[len(prices)-1][4]
}
func max(x, y int) int {
if x > y {
return x
}
return y
}
```
> 版本四:一维 dp 易懂版本
```go
func maxProfit(prices []int) int {
dp := make([]int, 4)
dp[0] = -prices[0]
dp[2] = -prices[0]
for _, price := range prices[1:] {
dc := slices.Clone(dp) // 这句话是关键,把前一天的 dp 状态保存下来,防止被覆盖掉,后面只用它,不用 dp逻辑简单易懂
dp[0] = max(dc[0], -price)
dp[1] = max(dc[1], dc[0] + price)
dp[2] = max(dc[2], dc[1] - price)
dp[3] = max(dc[3], dc[2] + price)
}
return dp[3]
}
```
### JavaScript:
> 版本一:
```javascript
const maxProfit = prices => {
const len = prices.length;
const dp = new Array(len).fill(0).map(x => new Array(5).fill(0));
dp[0][1] = -prices[0];
dp[0][3] = -prices[0];
for (let i = 1; i < len; i++) {
dp[i][0] = dp[i - 1][0];
dp[i][1] = Math.max(dp[i - 1][1], dp[i - 1][0] - prices[i]);
dp[i][2] = Math.max(dp[i - 1][2], dp[i - 1][1] + prices[i]);
dp[i][3] = Math.max(dp[i - 1][3], dp[i - 1][2] - prices[i]);
dp[i][4] = Math.max(dp[i - 1][4], dp[i - 1][3] + prices[i]);
}
return dp[len - 1][4];
};
```
> 版本二:
```javascript
const maxProfit = prices => {
const len = prices.length;
const dp = new Array(5).fill(0);
dp[1] = -prices[0];
dp[3] = -prices[0];
for (let i = 1; i < len; i++) {
dp[1] = Math.max(dp[1], dp[0] - prices[i]);
dp[2] = Math.max(dp[2], dp[1] + prices[i]);
dp[3] = Math.max(dp[3], dp[2] - prices[i]);
dp[4] = Math.max(dp[4], dp[3] + prices[i]);
}
return dp[4];
};
```
### TypeScript
> 版本一
```typescript
function maxProfit(prices: number[]): number {
/**
dp[i][0]: 无操作;
dp[i][1]: 第一次买入;
dp[i][2]: 第一次卖出;
dp[i][3]: 第二次买入;
dp[i][4]: 第二次卖出;
*/
const length: number = prices.length;
if (length === 0) return 0;
const dp: number[][] = new Array(length).fill(0)
.map(_ => new Array(5).fill(0));
dp[0][1] = -prices[0];
dp[0][3] = -prices[0];
for (let i = 1; i < length; i++) {
dp[i][0] = dp[i - 1][0];
dp[i][1] = Math.max(dp[i - 1][1], -prices[i]);
dp[i][2] = Math.max(dp[i - 1][2], dp[i - 1][1] + prices[i]);
dp[i][3] = Math.max(dp[i - 1][3], dp[i - 1][2] - prices[i]);
dp[i][4] = Math.max(dp[i - 1][4], dp[i - 1][3] + prices[i]);
}
return Math.max(dp[length - 1][2], dp[length - 1][4]);
};
```
### C:
```c
#define max(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b))
#define min(a, b) ((a) > (b) ? (b) : (a))
int maxProfit(int* prices, int pricesSize) {
int buy1 = prices[0], buy2 = prices[0];
int profit1 = 0, profit2 = 0;
for (int i = 0; i < pricesSize; ++i) {
// 寻找最低点买入
buy1 = min(buy1, prices[i]);
// 找到第一次交易的最大盈利,并不断维护这一最大值
profit1 = max(profit1, prices[i] - buy1);
// 寻找第二次交易的最低投资点,并且考虑前一次交易的成本
// 当前价格 - 第一次操作的盈利=新的投入成本(
// 为了让盈利最大,要寻找最小的成本)
buy2 = min(buy2, prices[i] - profit1);
// 第二次卖出后的盈利:当前价格减去成本,不断维护这一最大的总利润
profit2 = max(profit2, prices[i] - buy2);
}
return profit2;
}
```
### Rust
> 版本一
```rust
impl Solution {
pub fn max_profit(prices: Vec<i32>) -> i32 {
/*
* 定义 5 种状态:
* 0: 没有操作, 1: 第一次买入, 2: 第一次卖出, 3: 第二次买入, 4: 第二次卖出
*/
let mut dp = vec![vec![0; 5]; prices.len()];
dp[0][1] = -prices[0];
dp[0][3] = -prices[0];
for (i, &p) in prices.iter().enumerate().skip(1) {
// 不操作
// dp[i][0] = dp[i - 1][0];
dp[i][1] = dp[i - 1][1].max(-p);
dp[i][2] = dp[i - 1][2].max(dp[i - 1][1] + p);
dp[i][3] = dp[i - 1][3].max(dp[i - 1][2] - p);
dp[i][4] = dp[i - 1][4].max(dp[i - 1][3] + p);
}
dp[prices.len() - 1][4]
}
}
```
> 版本二(绕)
```rust
impl Solution {
pub fn max_profit(prices: Vec<i32>) -> i32 {
let (mut one_buy, mut one_sale, mut two_buy, mut two_sale) = (-prices[0], 0, -prices[0], 0);
for p in prices {
one_buy = one_buy.max(-p);
one_sale = one_sale.max(p + one_buy);
two_buy = two_buy.max(one_sale - p);
two_sale = two_sale.max(two_buy + p);
}
two_sale
}
}
```