Question

233. 数字 1 的个数

English Version

题目描述

给定一个整数 n，计算所有小于等于 n 的非负整数中数字 1 出现的个数。

 

示例 1：

输入：n = 13
输出：6

示例 2：

输入：n = 0
输出：0

 

提示：

• 0 <= n <= 109

解法

方法一：数位 DP

这道题实际上是求在给定区间 $[l,..r]$ 中，数字中出现 $1$ 个数。个数与数的位数以及每一位上的数字有关。我们可以用数位 DP 的思路来解决这道题。数位 DP 中，数的大小对复杂度的影响很小。

对于区间 $[l,..r]$ 问题，我们一般会将其转化为 $[1,..r]$ 然后再减去 $[1,..l - 1]$ 的问题，即：

$$ ans = \sum_{i=1}^{r} ans_i - \sum_{i=1}^{l-1} ans_i $$

不过对于本题而言，我们只需要求出区间 $[1,..r]$ 的值即可。

这里我们用记忆化搜索来实现数位 DP。从起点向下搜索，到最底层得到方案数，一层层向上返回答案并累加，最后从搜索起点得到最终的答案。

基本步骤如下：

1. 将数字 $n$ 转为 int 数组 $a$，其中 $a[1]$ 为最低位，而 $a[len]$ 为最高位；
2. 根据题目信息，设计函数 $dfs()$，对于本题，我们定义 $dfs(pos, cnt, limit)$，答案为 $dfs(len, 0, true)$。

其中：

• pos 表示数字的位数，从末位或者第一位开始，一般根据题目的数字构造性质来选择顺序。对于本题，我们选择从高位开始，因此，pos 的初始值为 len；
• cnt 表示当前数字中包含的 $1$ 的个数。
• limit 表示可填的数字的限制，如果无限制，那么可以选择 $[0,1,..9]$，否则，只能选择 $[0,..a[pos]]$。如果 limit 为 true 且已经取到了能取到的最大值，那么下一个 limit 同样为 true；如果 limit 为 true 但是还没有取到最大值，或者 limit 为 false，那么下一个 limit 为 false。

关于函数的实现细节，可以参考下面的代码。

时间复杂度 $O(\log n)$。

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class Solution:
  def countDigitOne(self, n: int) -> int:
    @cache
    def dfs(pos, cnt, limit):
      if pos <= 0:
        return cnt
      up = a[pos] if limit else 9
      ans = 0
      for i in range(up + 1):
        ans += dfs(pos - 1, cnt + (i == 1), limit and i == up)
      return ans

    a = [0] * 12
    l = 1
    while n:
      a[l] = n % 10
      n //= 10
      l += 1
    return dfs(l, 0, True)

class Solution {
  private int[] a = new int[12];
  private int[][] dp = new int[12][12];

  public int countDigitOne(int n) {
    int len = 0;
    while (n > 0) {
      a[++len] = n % 10;
      n /= 10;
    }
    for (var e : dp) {
      Arrays.fill(e, -1);
    }
    return dfs(len, 0, true);
  }

  private int dfs(int pos, int cnt, boolean limit) {
    if (pos <= 0) {
      return cnt;
    }
    if (!limit && dp[pos][cnt] != -1) {
      return dp[pos][cnt];
    }
    int up = limit ? a[pos] : 9;
    int ans = 0;
    for (int i = 0; i <= up; ++i) {
      ans += dfs(pos - 1, cnt + (i == 1 ? 1 : 0), limit && i == up);
    }
    if (!limit) {
      dp[pos][cnt] = ans;
    }
    return ans;
  }
}

class Solution {
public:
  int a[12];
  int dp[12][12];

  int countDigitOne(int n) {
    int len = 0;
    while (n) {
      a[++len] = n % 10;
      n /= 10;
    }
    memset(dp, -1, sizeof dp);
    return dfs(len, 0, true);
  }

  int dfs(int pos, int cnt, bool limit) {
    if (pos <= 0) {
      return cnt;
    }
    if (!limit && dp[pos][cnt] != -1) {
      return dp[pos][cnt];
    }
    int ans = 0;
    int up = limit ? a[pos] : 9;
    for (int i = 0; i <= up; ++i) {
      ans += dfs(pos - 1, cnt + (i == 1), limit && i == up);
    }
    if (!limit) {
      dp[pos][cnt] = ans;
    }
    return ans;
  }
};

func countDigitOne(n int) int {
  a := make([]int, 12)
  dp := make([][]int, 12)
  for i := range dp {
    dp[i] = make([]int, 12)
    for j := range dp[i] {
      dp[i][j] = -1
    }
  }
  l := 0
  for n > 0 {
    l++
    a[l] = n % 10
    n /= 10
  }
  var dfs func(int, int, bool) int
  dfs = func(pos, cnt int, limit bool) int {
    if pos <= 0 {
      return cnt
    }
    if !limit && dp[pos][cnt] != -1 {
      return dp[pos][cnt]
    }
    up := 9
    if limit {
      up = a[pos]
    }
    ans := 0
    for i := 0; i <= up; i++ {
      t := cnt
      if i == 1 {
        t++
      }
      ans += dfs(pos-1, t, limit && i == up)
    }
    if !limit {
      dp[pos][cnt] = ans
    }
    return ans
  }
  return dfs(l, 0, true)
}

public class Solution {
  public int CountDigitOne(int n) {
    if (n <= 0) return 0;
    if (n < 10) return 1;
    return CountDigitOne(n / 10 - 1) * 10 + n / 10 + CountDigitOneOfN(n / 10) * (n % 10 + 1) + (n % 10 >= 1 ? 1 : 0);
  }

  private int CountDigitOneOfN(int n) {
    var count = 0;
    while (n > 0)
    {
      if (n % 10 == 1) ++count;
      n /= 10;
    }
    return count;
  }
}