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  • 动态规划精讲(一)A单串

    单串

    单串 dp[i] 线性动态规划最简单的一类问题,输入是一个串,状态一般定义为 dp[i] := 考虑[0..i]上,原问题的解,其中 i 位置的处理,根据不同的问题,主要有两种方式:

      第一种是 i 位置必须取,此时状态可以进一步描述为 dp[i] := 考虑[0..i]上,且取 i,原问题的解;
      第二种是 i 位置可以取可以不取


    大部分的问题,对 i 位置的处理是第一种方式,例如力扣:

    70 爬楼梯问题
    801 使序列递增的最小交换次数
    790 多米诺和托米诺平铺
    746 使用最小花费爬楼梯
    线性动态规划中单串 dp[i] 的问题,状态的推导方向以及推导公式如下

     

    1. 依赖比 i 小的 O(1) 个子问题
    dp[n] 只与常数个小规模子问题有关,状态的推导过程 dp[i] = f(dp[i - 1], dp[i - 2], ...)。时间复杂度 O(n),空间复杂度 O(n) 可以优化为 O(1),例如上面提到的 70, 801, 790, 746 都属于这类。

    如图所示,虽然绿色部分的 dp[i-1], dp[i-2], ..., dp[0] 均已经计算过,但计算橙色的当前状态时,仅用到 dp[i-1],这属于比 i 小的 O(1)个子问题。

    例如,当 f(dp[i-1], ...) = dp[i-1] + nums[i] 时,当前状态 dp[i] 仅与 dp[i-1] 有关。这个例子是一种数据结构前缀和的状态计算方式,关于前缀和的详细内容请参考下一章。

    2. 依赖比 i 小的 O(n) 个子问题
    dp[n] 与此前的更小规模的所有子问题 dp[n - 1], dp[n - 2], ..., dp[1] 都可能有关系。

    状态推导过程如下:

    dp[i] = f(dp[i - 1], dp[i - 2], ..., dp[0])


    依然如图所示,计算橙色的当前状态 dp[i] 时,绿色的此前计算过的状态 dp[i-1], ..., dp[0] 均有可能用到,在计算 dp[i] 时需要将它们遍历一遍完成计算。

    其中 f 常见的有 max/min,可能还会对 i-1,i-2,...,0 有一些筛选条件,但推导 dp[n] 时依然是 O(n)O(n) 级的子问题数量。

    例如:

      139 单词拆分
      818 赛车
    以 min 函数为例,这种形式的问题的代码常见写法如下

    for i = 1, ..., n

      for j = 1, ..., i-1
        dp[i] = min(dp[i], f(dp[j])
    时间复杂度 O(n^{2}),空间复杂度 O(n)

    单串 dp[i] 经典问题
    以下内容将涉及到的知识点对应的典型问题进行讲解,题目和解法具有代表性,可以从一个问题推广到一类问题。

    1. 依赖比 i 小的 O(1) 个子问题
    53. 最大子数组和
    给定一个整数数组 nums ,找到一个具有最大和的连续子数组(子数组最少包含一个元素),返回其最大和。

    一个数组有很多个子数组,求哪个子数组的和最大。可以按照子数组的最后一个元素来分子问题,确定子问题后设计状态


    dp[i] := [0..i] 中,以 nums[i] 结尾的最大子数组和
    状态的推导是按照 i 从 0 到 n - 1 按顺序推的,推到 dp[i],时,dp[i - 1], ..., dp[0] 已经计算完。因为子数组是连续的,所以子问题 dp[i] 其实只与子问题 dp[i - 1] 有关。如果 [0..i-1] 上以 nums[i-1] 结尾的最大子数组和(缓存在 dp[i-1] )为非负数,则以 nums[i] 结尾的最大子数组和就在 dp[i-1] 的基础上加上 nums[i] 就是 dp[i] 的结果否则以 i 结尾的子数组就不要 i-1 及之前的数,因为选了的话子数组的和只会更小。

    按照以上的分析,状态的转移可以写出来,如下

    dp[i] = nums[i] + max(dp[i - 1], 0)
    这个是单串 dp[i] 的问题,状态的推导方向,以及推导公式如下

     dp[i] = f(dp[i - 1], dp[i - 2], ..., dp[0])

    在本题中,f(dp[i-1], ..., dp[0]) 即为 max(dp[i-1], 0) + nums[i],dp[i] 仅与 dp[i-1] 1 个子问题有关。因此虽然绿色部分的子问题已经计算完,但是推导当前的橙色状态时,只需要 dp[i-1] 这一个历史状态。

    2. 依赖比 i 小的 O(n) 个子问题
    300. 最长上升子序列
    给定一个无序的整数数组,找到其中最长上升子序列的长度。

    输入是一个单串,首先思考单串问题中设计状态 dp[i] 时拆分子问题的方式:枚举子串或子序列的结尾元素来拆分子问题,设计状态 dp[i] := 在子数组 [0..i] 上,且选了 nums[i] 时,的最长上升子序列。

    因为子序列需要上升,因此以 i 结尾的子序列中,nums[i] 之前的数字一定要比 nums[i] 小才行,因此目标就是先找到以此前比 nums[i] 小的各个元素,然后每个所选元素对应一个以它们结尾的最长子序列,从这些子序列中选择最长的,其长度加 1 就是当前的问题的结果。如果此前没有比 nums[i] 小的数字,则当前问题的结果就是 1 。

     

     

    本题依然是单串 dp[i] 的问题,状态的推导方向,以及推导公式与上一题的图示相同,

    状态的推导依然是按照 i 从 0 到 n-1 推的,计算 dp[i] 时,dp[i-1], dp[i-2], ..., dp[0] 依然已经计算完。

    但本题与上一题的区别是推导 dp[i] 时,dp[i-1]. dp[i-2], ..., dp[0] 均可能需要用上,即,因此计算当前的橙色状态时,绿色部分此前计算过的状态都可能需要用上。

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