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2019. 解出数学表达式的学生分数

题目描述

给你一个字符串 s ，它只包含数字 0-9 ，加法运算符 '+' 和乘法运算符 '*' ，这个字符串表示一个合法的只含有 个位数数字的数学表达式（比方说 3+5*2）。有 n 位小学生将计算这个数学表达式，并遵循如下 运算顺序 ：

按照 从左到右 的顺序计算乘法，然后
按照 从左到右 的顺序计算加法。

给你一个长度为 n 的整数数组 answers ，表示每位学生提交的答案。你的任务是给 answer 数组按照如下规则打分：

如果一位学生的答案等于表达式的正确结果，这位学生将得到 5 分。
否则，如果答案由 一处或多处错误的运算顺序 计算得到，那么这位学生能得到 2 分。
否则，这位学生将得到 0 分。

请你返回所有学生的分数和。

示例 1：

输入：s = "7+3*1*2", answers = [20,13,42]
输出：7
解释：如上图所示，正确答案为 13 ，因此有一位学生得分为 5 分：[20,13,42] 。
一位学生可能通过错误的运算顺序得到结果 20 ：7+3=10，10*1=10，10*2=20 。所以这位学生得分为 2 分：[20,13,42] 。
所有学生得分分别为：[2,5,0] 。所有得分之和为 2+5+0=7 。

示例 2：

输入：s = "3+5*2", answers = [13,0,10,13,13,16,16]
输出：19
解释：表达式的正确结果为 13 ，所以有 3 位学生得到 5 分：[13,0,10,13,13,16,16] 。
学生可能通过错误的运算顺序得到结果 16 ：3+5=8，8*2=16 。所以两位学生得到 2 分：[13,0,10,13,13,16,16] 。
所有学生得分分别为：[5,0,0,5,5,2,2] 。所有得分之和为 5+0+0+5+5+2+2=19 。

示例 3：

输入：s = "6+0*1", answers = [12,9,6,4,8,6]
输出：10
解释：表达式的正确结果为 6 。
如果一位学生通过错误的运算顺序计算该表达式，结果仍为 6 。
根据打分规则，运算顺序错误的学生也将得到 5 分（因为他们仍然得到了正确的结果），而不是 2 分。
所有学生得分分别为：[0,0,5,0,0,5] 。所有得分之和为 10 分。

提示：

3 <= s.length <= 31
s 表示一个只包含 0-9 ，'+' 和 '*' 的合法表达式。
表达式中所有整数运算数字都在闭区间 [0, 9] 以内。
1 <= 数学表达式中所有运算符数目（'+' 和 '*'） <= 15
测试数据保证正确表达式结果在范围 [0, 1000] 以内。
n == answers.length
1 <= n <= 10⁴
0 <= answers[i] <= 1000

解法

方法一：动态规划（区间 DP）

我们先设计一个函数 $cal(s)$，用于计算一个合法的只含有个位数数字的数学表达式的结果。那么正确答案就是 $x = cal(s)$。

我们记字符串 $s$ 的长度为 $n$，那么 $s$ 中的数字个数为 $m = \frac{n+1}{2}$。

我们定义 $f[i][j]$ 表示选择 $s$ 中的第 $i$ 个数字到第 $j$ 个数字（下标从 $0$ 开始）这一段数字，计算出的结果可能的取值。初始时 $f[i][i]$ 表示选择第 $i$ 个数字，结果只能是这个数字本身，即 $f[i][i] = {s[i \times 2]}$（即第 $i$ 个数字映射到字符串 $s$ 中的下标为 $i \times 2$ 的字符）。

接下来，我们从大到小枚举 $i$，然后从小到大枚举 $j$，我们需要求出区间 $[i, j]$ 所有数字运算的结果可能的取值。我们在区间 $[i, j]$ 中枚举分界点 $k$，那么 $f[i][j]$ 可以由 $f[i][k]$ 和 $f[k+1][j]$ 通过运算符 $s[k \times 2 + 1]$ 得到。因此我们可以得到如下状态转移方程：

$$ f[i][j] = \begin{cases} {s[i \times 2]}, & i = j \\ \bigcup\limits_{k=i}^{j-1} {f[i][k] \otimes f[k+1][j]}, & i < j \end{cases} $$

其中 $\otimes$ 表示运算符，即 $s[k \times 2 + 1]$。

那么字符串 $s$ 所有数字运算的结果可能的取值就是 $f[0][m-1]$。

最后，我们统计答案。我们用一个数组 $cnt$ 统计答案数组 $answers$ 中每个答案出现的次数。如果答案等于 $x$，那么这个学生得到 $5$ 分，否则如果答案在 $f[0][m-1]$ 中，那么这个学生得到 $2$ 分。遍历 $cnt$，统计答案即可。

时间复杂度 $O(n^3 \times M^2)$，空间复杂度 $O(n^2 \times M^2)$。其中 $M$ 是答案可能的最大值，而 $n$ 是字符串 $s$ 的长度中数字的个数。

Python3

class Solution:
    def scoreOfStudents(self, s: str, answers: List[int]) -> int:
        def cal(s: str) -> int:
            res, pre = 0, int(s[0])
            for i in range(1, n, 2):
                if s[i] == "*":
                    pre *= int(s[i + 1])
                else:
                    res += pre
                    pre = int(s[i + 1])
            res += pre
            return res

        n = len(s)
        x = cal(s)
        m = (n + 1) >> 1
        f = [[set() for _ in range(m)] for _ in range(m)]
        for i in range(m):
            f[i][i] = {int(s[i << 1])}
        for i in range(m - 1, -1, -1):
            for j in range(i, m):
                for k in range(i, j):
                    for l in f[i][k]:
                        for r in f[k + 1][j]:
                            if s[k << 1 | 1] == "+" and l + r <= 1000:
                                f[i][j].add(l + r)
                            elif s[k << 1 | 1] == "*" and l * r <= 1000:
                                f[i][j].add(l * r)
        cnt = Counter(answers)
        ans = cnt[x] * 5
        for k, v in cnt.items():
            if k != x and k in f[0][m - 1]:
                ans += v << 1
        return ans

Java

class Solution {
    public int scoreOfStudents(String s, int[] answers) {
        int n = s.length();
        int x = cal(s);
        int m = (n + 1) >> 1;
        Set<Integer>[][] f = new Set[m][m];
        for (int i = 0; i < m; ++i) {
            for (int j = 0; j < m; ++j) {
                f[i][j] = new HashSet<>();
            }
            f[i][i].add(s.charAt(i << 1) - '0');
        }
        for (int i = m - 1; i >= 0; --i) {
            for (int j = i; j < m; ++j) {
                for (int k = i; k < j; ++k) {
                    for (int l : f[i][k]) {
                        for (int r : f[k + 1][j]) {
                            char op = s.charAt(k << 1 | 1);
                            if (op == '+' && l + r <= 1000) {
                                f[i][j].add(l + r);
                            } else if (op == '*' && l * r <= 1000) {
                                f[i][j].add(l * r);
                            }
                        }
                    }
                }
            }
        }
        int[] cnt = new int[1001];
        for (int ans : answers) {
            ++cnt[ans];
        }
        int ans = 5 * cnt[x];
        for (int i = 0; i <= 1000; ++i) {
            if (i != x && f[0][m - 1].contains(i)) {
                ans += 2 * cnt[i];
            }
        }
        return ans;
    }

    private int cal(String s) {
        int res = 0, pre = s.charAt(0) - '0';
        for (int i = 1; i < s.length(); i += 2) {
            char op = s.charAt(i);
            int cur = s.charAt(i + 1) - '0';
            if (op == '*') {
                pre *= cur;
            } else {
                res += pre;
                pre = cur;
            }
        }
        res += pre;
        return res;
    }
}

C++

class Solution {
public:
    int scoreOfStudents(string s, vector<int>& answers) {
        int n = s.size();
        int x = cal(s);
        int m = (n + 1) >> 1;
        unordered_set<int> f[m][m];
        for (int i = 0; i < m; ++i) {
            f[i][i] = {s[i * 2] - '0'};
        }
        for (int i = m - 1; ~i; --i) {
            for (int j = i; j < m; ++j) {
                for (int k = i; k < j; ++k) {
                    for (int l : f[i][k]) {
                        for (int r : f[k + 1][j]) {
                            char op = s[k << 1 | 1];
                            if (op == '+' && l + r <= 1000) {
                                f[i][j].insert(l + r);
                            } else if (op == '*' && l * r <= 1000) {
                                f[i][j].insert(l * r);
                            }
                        }
                    }
                }
            }
        }
        int cnt[1001]{};
        for (int t : answers) {
            ++cnt[t];
        }
        int ans = 5 * cnt[x];
        for (int i = 0; i <= 1000; ++i) {
            if (i != x && f[0][m - 1].count(i)) {
                ans += cnt[i] << 1;
            }
        }
        return ans;
    }

    int cal(string& s) {
        int res = 0;
        int pre = s[0] - '0';
        for (int i = 1; i < s.size(); i += 2) {
            int cur = s[i + 1] - '0';
            if (s[i] == '*') {
                pre *= cur;
            } else {
                res += pre;
                pre = cur;
            }
        }
        res += pre;
        return res;
    }
};

Go

func scoreOfStudents(s string, answers []int) int {
	n := len(s)
	x := cal(s)
	m := (n + 1) >> 1
	f := make([][]map[int]bool, m)
	for i := range f {
		f[i] = make([]map[int]bool, m)
		for j := range f[i] {
			f[i][j] = make(map[int]bool)
		}
		f[i][i][int(s[i<<1]-'0')] = true
	}
	for i := m - 1; i >= 0; i-- {
		for j := i; j < m; j++ {
			for k := i; k < j; k++ {
				for l := range f[i][k] {
					for r := range f[k+1][j] {
						op := s[k<<1|1]
						if op == '+' && l+r <= 1000 {
							f[i][j][l+r] = true
						} else if op == '*' && l*r <= 1000 {
							f[i][j][l*r] = true
						}
					}
				}
			}
		}
	}
	cnt := [1001]int{}
	for _, v := range answers {
		cnt[v]++
	}
	ans := cnt[x] * 5
	for k, v := range cnt {
		if k != x && f[0][m-1][k] {
			ans += v << 1
		}
	}
	return ans
}

func cal(s string) int {
	res, pre := 0, int(s[0]-'0')
	for i := 1; i < len(s); i += 2 {
		cur := int(s[i+1] - '0')
		if s[i] == '+' {
			res += pre
			pre = cur
		} else {
			pre *= cur
		}
	}
	res += pre
	return res
}

TypeScript

function scoreOfStudents(s: string, answers: number[]): number {
    const n = s.length;
    const cal = (s: string): number => {
        let res = 0;
        let pre = s.charCodeAt(0) - '0'.charCodeAt(0);
        for (let i = 1; i < s.length; i += 2) {
            const cur = s.charCodeAt(i + 1) - '0'.charCodeAt(0);
            if (s[i] === '+') {
                res += pre;
                pre = cur;
            } else {
                pre *= cur;
            }
        }
        res += pre;
        return res;
    };
    const x = cal(s);
    const m = (n + 1) >> 1;
    const f: Set<number>[][] = Array(m)
        .fill(0)
        .map(() =>
            Array(m)
                .fill(0)
                .map(() => new Set()),
        );
    for (let i = 0; i < m; ++i) {
        f[i][i].add(s[i << 1].charCodeAt(0) - '0'.charCodeAt(0));
    }
    for (let i = m - 1; i >= 0; --i) {
        for (let j = i; j < m; ++j) {
            for (let k = i; k < j; ++k) {
                for (const l of f[i][k]) {
                    for (const r of f[k + 1][j]) {
                        const op = s[(k << 1) + 1];
                        if (op === '+' && l + r <= 1000) {
                            f[i][j].add(l + r);
                        } else if (op === '*' && l * r <= 1000) {
                            f[i][j].add(l * r);
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }
    const cnt: number[] = Array(1001).fill(0);
    for (const v of answers) {
        ++cnt[v];
    }
    let ans = cnt[x] * 5;
    for (let i = 0; i <= 1000; ++i) {
        if (i !== x && f[0][m - 1].has(i)) {
            ans += cnt[i] << 1;
        }
    }
    return ans;
}

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