LeetCode 第12题：整数转罗马数字（Python3解法）

1：问题描述

来源：LeetCode

难度：中等

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问题详情：
罗马数字包含以下七种字符： I， V， X， L，C，D 和 M。

字符	数值
$I$	1
$V$	5
$X$	10
$L$	50
$C$	100
$D$	500
$M$	1000

例如， 罗马数字 2 写做 II ，即为两个并列的 1。12 写做 XII ，即为 X + II 。 27 写做 XXVII, 即为 XX + V + II 。

通常情况下，罗马数字中小的数字在大的数字的右边。但也存在特例，例如 4 不写做 IIII，而是 IV。数字 1 在数字 5 的左边，所表示的数等于大数 5 减小数 1 得到的数值 4 。同样地，数字 9 表示为 IX。这个特殊的规则只适用于以下六种情况：

• I 可以放在 V (5) 和 X (10) 的左边，来表示 4 和 9。
• X 可以放在 L (50) 和 C (100) 的左边，来表示 40 和 90。
• C 可以放在 D (500) 和 M (1000) 的左边，来表示 400 和 900。

给你一个整数，将其转为罗马数字。

示例1：

输入：num = 3
输出：“III”

示例2：

输入: num = 1994
输出: “MCMXCIV”
解释: M = 1000, CM = 900, XC = 90, IV = 4.

提示：

$$1<=num<=3999$$

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2：问题分析

2.1 时间复杂度和空间复杂度

在真正开始介绍各种算法前，先以表格形式展示各自的时间复杂度和空间复杂度，其中$n$表示字符串$s$的长度。

算法	时间复杂度	空间复杂度
模拟	$O(1)$	$O(1)$
硬编码	$O(1)$	$O(1)$
自己的解法	$O(1)$	$O(1)$

2.2 模拟

图片来源。

我们先来看一下示例中的1994是如何转换成罗马数字的。
首先数字1994被拆解成1000+900+90+4.
可以看出每一位都是用选取尽可能大的数值。

2.2.1 代码

构建一个从大到小的元组对，遍历每一个元组对，如果当前num值大于等于当前元组中的数值key，那么就减去足够多的key，使$num<key$，同时减了多少次key，就要记录多少次key对应的罗马字符。
直至$num=0$,循环结束。

def intToRoman3(num: int) -> str:
    """对方法2中相减那一处的优化"""
    VALUE_SYMBOLS = [
        (1000, "M"),
        (900, "CM"),
        (500, "D"),
        (400, "CD"),
        (100, "C"),
        (90, "XC"),
        (50, "L"),
        (40, "XL"),
        (10, "X"),
        (9, "IX"),
        (5, "V"),
        (4, "IV"),
        (1, "I"),
    ]
    result = ''
    for key, value in VALUE_SYMBOLS:
        if num >= key:
            count = (num // key)
            num -= count * key
            result += count * value
        if num == 0:
            break

    return result

时间复杂度为$O(1)$,空间复杂度为$O(1)$

2.3 硬解码

上述方案是从上图中的每一个“挡位”对应的罗马字符出发构建的。

而硬解码的方案则是从num数值中每一位的角度出发。
由提示可以得到，num值最多为3999；所以我们先从千位出发，考虑其能够取到的值，是1、2、3，然后构建其对应的罗马数字’M‘,'MM','MM';
同理，我们构建了如下表格（表格来源）：

2.3.1 代码

代码如下：

THOUSANDS = ["", "M", "MM", "MMM"]
HUNDREDS = ["", "C", "CC", "CCC", "CD", "D", "DC", "DCC", "DCCC", "CM"]
TENS = ["", "X", "XX", "XXX", "XL", "L", "LX", "LXX", "LXXX", "XC"]
ONES = ["", "I", "II", "III", "IV", "V", "VI", "VII", "VIII", "IX"]


def intToRoman4(num: int) -> str:
    """硬编码，就是把每一位的所有可能都列出来，以空间换时间"""
    return THOUSANDS[num // 1000] + HUNDREDS[num % 1000 // 100] + TENS[num % 100 // 10] + ONES[num % 10

时间复杂度为$O(1)$,空间复杂度为$O(1)$

2.3 我的解法

我的解法同样从每一位出发，但是不使用硬编码的形式，而是通过当前位数的数值分析其对应的罗马数字。

比如百位中如果是9或者4，则对应的是'CM'，’CD‘；
如果是7，则大于等于5的部分使用一个’D‘表示，不超过的部分即（7-5=2）使用’C‘×2表示；
如果百位本身就是小于4的数，比如3，则直接使用’C‘×3表示；

2.3.1 代码

代码中构建了一个二维列表，每个元素中都存储了当前位数的两个对应的罗马字符。
比如百位，第0个元素是’D‘，第1个元素是’C‘。

def intToRoman(num: int) -> str:
    special = {
    
    9: 'IX', 4: 'IV', 40: 'XL', 90: 'XC', 400: 'CD', 900: 'CM'}
    index_str = [['V', 'I'], ['L', 'X'], ['D', 'C'], ['', 'M']]
    index = [3, 2, 1, 0]
    result = ''
    for i in index:
        cur, num = divmod(num, 10 ** i)
        if cur == 4 or cur == 9:
            result += special.get(cur * 10 ** i, '')
        elif 9 > cur >= 5:
            result += index_str[i][0]
            result += (cur - 5) * index_str[i][1]
        elif cur < 4:
            result += cur * index_str[i][1]
    return result

时间复杂度为$O(1)$,空间复杂度为$O(1)$