斜率优化

斜率优化

斜率优化是指对一些特殊的动态规划问题进行的优化（废话），数形结合，通过状态建点，利用其斜率的特性，在短时间求出最佳决策的算法。

方法是通过方程推出一个形似(frac{g_j-g_k}{g'_j-g'_k}<K_i)的不等式

话不多说，从例题入手

BZOJ1096 [ZJOI2007]仓库建设 是一道入门题

设子状态(f_i)为在工厂(i)建立仓库时(1)到(i)的花费总和

显然,(f_i=min{f_j+sum_{k=1}^{j}P_k imes (X_i-X_j)+sum_{k=j+1}^{i}{P_k imes(X_i-X_k)}+C_i})

可以据此写出代码：

for(int i=1;i<=n;i++)
		sp[i]=sp[i-1]+P[i],s[i]=s[i-1]+sp[i-1]*(X[i]-X[i-1]);
for(int i=1;i<=n;i++){
	F[i]=INF;
	for(int j=0;j<i;j++){
		F[i]=min(F[i],F[j]+(s[i]-s[j]-sp[j]*(X[i]-X[j]))+C[i]);
	}
}

复杂度为(O(n^2))，对于(N≤1000000)的数据显然是过不了的

可以发现，为了得到子状态(f_i)，共进行了(i)次转移，但是实际有效的只有一次

如何可以在(O(1))或(O(log_2n))的复杂度内找出最佳决策呢？

斜率优化！

对于转移方程(f_i=f_j+(s_i-s_j-sp_j imes(X_i-X_j))+C_i;)

我们取出两个子状态(f_i)和(f_k)，假设从(f_j)转移到(f_i)比从(f_j)转移到(f_k)要更优

( herefore f_j+(s_i-s_j-sp_j imes(X_i-X_j))+C_i<F_k+(s_i-s_k-sp_k imes(X_i-X_k))+C_i)

( herefore f_j-s_j-sp_j imes X_i+sp_j imes X_j<f_k-s_k-sp_k imes X_i+sp_k imes X_k)

( herefore f_j-s_j+sp_j imes X_j-f_k+s_k-sp_k imes X_k<sp_j imes X_i-sp_k imes X_i)

令(g_i=f_j-s_j+sp_j imes X_j)，

( herefore g_j-g_k<(sp_j-sp_k) imes X_i)

不妨令(sp_j<sp_k)，

( hereforefrac{g_i-g_k}{sp_j-sp_k}<X_i)

仔细观察，发现这很像一个斜率的表达式

在平面中建点(A_j(sp_j,g_j))，(A_k(sp_k,g_k))，连接(A_jA_k)，

问题就可以转换为：

对于子状态(f_i)和(f_k)，

从(f_j)转移到(f_i)比从(f_j)转移到(f_k)要更优(LeftarrowRightarrow)(A_jA_k)的斜率小于(X_i)

那么，当平面中有多个点时又如何呢？

如图，有点(A)，(B)，(C)，(BC)斜率小于(AB)斜率

如果(AB)斜率大于等于(X_i)，则(A)比(B)优

如果(AB)斜率小于(X_i)，则(BC)斜率一定小于(X_i)，则(C)比(B)优

综上，出现如图情况时，(B)一定不是最优

所以显然，在平面中有多个点时，只有下凸壳（如果方程求的是最大值则为上凸壳）的点才是有用的点

此时，我们发现，点之间的斜率是单调递增的，

这。。。不就是个单调队列/栈吗！

再看，(X_i)是递增的，所以最佳状态在单调队列/栈里的位置也是递增的。

所以就是单调队列了。

#include<iostream>
#include<cstring>
#include<cstdio>
#include<algorithm>
#include<cmath>
#define int long long
#define maxn 1000000
#define INF 0x3f3f3f3f3f3f3f3f
using namespace std;
void read(int &x){
	int f=1;x=0;char ch=getchar();
	while(!isdigit(ch)){if(ch=='-') f=-1;ch=getchar();}
	while(isdigit(ch)){x=x*10+ch-'0';ch=getchar();}
	x*=f;
}
int X[maxn+5],P[maxn+5],C[maxn+5];
int F[maxn+5],s[maxn+5],sp[maxn+5];
struct vec{						//。。之前写凸包时用的结构体名是vec，现在就继续沿用了
	int i,x,y;
	vec(){i=x=y=0;}
	vec(int x,int y){i=0,this->x=x,this->y=y;}
	friend vec operator-(vec a,vec b){return vec(a.x-b.x,a.y-b.y);}
	friend bool operator<(vec a,vec b){return (double)a.y/a.x<(double)b.y/b.x);}
} q[maxn+5];
int head=1,tail=0;
void push(vec x){
	while((tail-head+1)>1&&(x-q[tail-1])<(q[tail]-q[tail-1])) tail--;	//x和队尾上一个的斜率小于队尾和队尾上一个的斜率时，弹出队尾
	q[++tail]=x;
}
void pop(int k){
	while((tail-head+1)>1&&(q[head+1]-q[head])<vec(1,k)) head++;//弹出斜率比k小的斜率
}
#undef int
int main(){
#define int long long
	int n;read(n);
	for(int i=1;i<=n;i++) read(X[i]),read(P[i]),read(C[i]);
	for(int i=1;i<=n;i++)
		sp[i]=sp[i-1]+P[i],s[i]=s[i-1]+sp[i-1]*(X[i]-X[i-1]);
	push(vec(0,0));
	for(int i=1;i<=n;i++){
		pop(X[i]);
		int j=q[head].i;
		F[i]=F[j]+(s[i]-s[j]-sp[j]*(X[i]-X[j]))+C[i];
		vec x(sp[i],F[i]-s[i]+sp[i]*X[i]);x.i=i;
		push(x);
	}
	printf("%lld
",F[n]);
}

ANOTHER CASE

那么，如果(X_i)不是递增的呢？

此时，显然不能靠移动单调队列队头来得到最佳状态了，只好将其改成了一个二分搜索（两点间斜率为值）搜索满足(A_{j-1}A_j)的斜率(<K_i(X_i))的最大的(j)了。

例题：（突然找不到了，到时候再补）

ELSE IF…

如果(sp_i(g'_i))不是递增的呢？…请看下篇——CDQ分治套斜率优化