写在前面的话:
其实在去年寒假奥赛集训的时候,就已经接触DP了,但自己是真得对那时的自己很无语,不会,想不通,记不住就不管了,也没想过要一定把它吃透--但该来的总还是要来的。
所以现在就来玩好玩的DP吧。
DP分类:
一、简单基础dp
这类dp主要是一些状态比较容易表示,转移方程比较好想,问题比较基本常见的。主要包括递推、背包、LIS(最长递增序列),LCS(最长公共子序列)
二、区间dp
三、树形dp
四、数位dp
五、状态压缩dp
好,柿子先从软的捏
先了解dp的基本思想吧。
在现实生活中,有些过程可以分成若干个相互联系的阶段,在它的每一阶段都要做出决策,从而使整个过程达到最好的活动效果。其中,各个阶段决策的选取既依赖当前面临的状态,又影响以后的发展,当个各阶段决策确定后,就构成了一个决策序列。
动态规划问题满足三大重要性质
- 最优子结构性质:如果问题的最优解所包含的子问题的解也是最优的,我们就称该问题具有最优子结构性质(即满足最优化原理)。最优子结构性质为动态规划算法解决问题提供了重要线索。
- 子问题重叠性质:子问题重叠性质是指在用递归算法自顶向下对问题进行求解时,每次产生的子问题并不总是新问题,有些子问题会被重复计算多次。动态规划算法正是利用了这种子问题的重叠性质,对每一个子问题只计算一次,然后将其计算结果保存在一个表格中,当再次需要计算已经计算过的子问题时,只是在表格中简单地查看一下结果,从而获得较高的效率。
- 无后效性:将各阶段按照一定的次序排列好之后,对于某个给定的阶段状态,它以前各阶段的状态无法直接影响它未来的决策,而只能通过当前的这个状态。换句话说,每个状态都是过去历史的一个完整总结。这就是无后向性,又称为无后效性。
OK,现在就开始看第一个简单的模型吧--数字金字塔。
7
3 8
8 1 0
2 7 4 4
4 5 2 6 5
大体思想:
法1:顺推法
路径起点确定,中间点与终点相对不确定,定义f[x][y]为从(1,1)出发到达(x,y)的路径最大权值和。
因为要使从(x,y)到终点值最大,就要使(1,1)到(x,y)值最大,并且,到达(x,y)的路径就只有两条,一个左上,一个右上,当然,两边的点也不必担心,因为它的左上或右上的值为零,状态转移方程依然成立。
f[x][y]=max{f[i-1][y-1],f[i-1][y]}+a[x][y]。
最后,ans为f[n][1~n]最大的一个
法2:逆推法(新颖的脑回路)
由顶向下分析,自底向上计算。
f[x][y]=max{f[x+1][y+1]+f[x+1][y]}+a[x][y]。
for(int i=1;i<=n;i++)
f[n][i]=a[n][i];
and then
LIS(最长上升子序列)
#include<iostream>
#include<cstdio>
using namespace std;
int a[100],n,f[100],ans;//f[]表示从1~~n每个数所包含的最大上升子序列
int main() //a[]记录数字
{
cin>>n;
for(int i=1;i<=n;i++)
{
cin>>a[i];
}
for(int i=1;i<=n;i++)
{
f[i]=1;
for(int j=1;j<i;j++)
{
if(a[j]<a[i])
f[i]=max(f[i],f[j]+1);//f[j]+1表示若以a[j]为a[i]的下一个子序列时的最大子序列数
}//有可能a[j]过小以至于子序列数过短
}
for(int i=1;i<=n;i++)
{
if(f[i]>ans)
ans=f[i];//包含递推思想
}
cout<<ans;
return 0;
}
以上为0(n^2)
我自己的理解:
f[i]表示以a[i]结尾的序列的最长长度,其序列最短也还是有一个的(本身),so初始化为f[i]=1;
后面如果有比a[i]小的,例如我们先设为a[k]吧,那我们可以选择将以a[i]结尾的那一串数接在a[k]的后面,此时以a[k]结尾的序列长度就为f[i]+1;
当然,选择这个a[i]接在后面不一定是最长的,所以我们要将目前已知f[i]的值与选择a[i]接在前面从而得到的值比较,
即 f[i]=max(f[j]+1,f[i])。
依次遍历a[1]~a[n],然后sort一下就能得到lis了。
有0(nlongn)的写法,但是,好吧,我不会啊。。。
但不妨碍我粘个代码:
1 int n;
2 cin>>n;
3 for(int i=1;i<=n;i++)
4 {
5 cin>>a[i];
6 f[i]=0x7fffffff;
7 //初始值要设为INF
8 /*原因很简单,每遇到一个新的元素时,就跟已经记录的f数组当前所记录的最长
9 上升子序列的末尾元素相比较:如果小于此元素,那么就不断向前找,直到找到
10 一个刚好比它大的元素,替换;反之如果大于,么填到末尾元素的下一个q,INF
11 就是为了方便向后替换啊!*/
12 }
13 f[1]=a[1];
14 int len=1;//通过记录f数组的有效位数,求得个数
15 /*因为上文中所提到我们有可能要不断向前寻找,
16 所以可以采用二分查找的策略,这便是将时间复杂
17 度降成nlogn级别的关键因素。*/
18 for(int i=2;i<=n;i++)
19 {
20 int l=0,r=len,mid;
21 if(a[i]>f[len])f[++len]=a[i];
22 //如果刚好大于末尾,暂时向后顺次填充
23 else
24 {
25 while(l<r)
26 {
27 mid=(l+r)/2;
28 if(f[mid]>a[i])r=mid;
29 //如果仍然小于之前所记录的最小末尾,那么不断
30 //向前寻找(因为是最长上升子序列,所以f数组必
31 //然满足单调)
32 else l=mid+1;
33 }
34 f[l]=min(a[i],f[l]);//更新最小末尾
35 }
36 }
37 cout<<len;
LCS(最长公共子序列):
用 dp[i][j] 来表示第一个串的前 i位,第二个串的前j位的 LCS 的长度。
1 //T:最长公共子序列
2 #include <cstdio>
3 #include <algorithm>
4
5 #define MAXN 2111
6
7 using namespace std;
8
9 int n, m;
10 int a[MAXN], b[MAXN];
11 int f[MAXN][MAXN];
12 int main() {
13 scanf("%d%d", &n, &m);
14 for(int i = 1; i <= n; i++) scanf("%d", &a[i]);
15 for(int i = 1; i <= m; i++) scanf("%d", &b[i]);
16
17 for(int i = 1; i <= n; i++) {
18 for(int j = 1; j <= m; j++) {
19
20 f[i][j] = max(f[i - 1][j], f[i][j - 1]);
21
22 if(a[i] == b[j]) f[i][j] = max(f[i][j], f[i - 1][j - 1] + 1);
23
24 else f[i][j] = max(f[i][j], f[i - 1][j - 1]);
25
26 }
27 }
28 printf("%d
", f[n][m]);
29 return 0;
30 }
个人以为DP是贪心思想与递推思想的结合
OK,现在来看一些题目:
硬币问题
您有无限多的硬币,硬币的面值为 1,5,10,50,100,500.
给定一个数额 w,问您最少用多少枚硬币可以凑出 w.
依据生活经验,我们可以采用这种策略:
先尽量用500的,然后尽量用100的……以此类推。
e.g. 666 = 1*500+1*100+1*50+1*10+1*5+1*1,共用10枚硬币。
这就是贪心了。
我们每次使用一个硬币,总能最大程度地解决问题(把剩下要凑的数
额变小)。可是,贪心是一种只考虑眼前情况的策略。尽管这一套硬
币面值可以采用贪心策略,但是迟早要栽跟头的。
我们考虑一组新的硬币面值:1,5,11.
于是有了一个反例:如果我们要凑出15,贪心策
15 = 11+4*1,共用 5 枚硬币。
而最佳策略是:
15 = 3*5,共用3枚硬币。
贪心策略自此陷入困境:鼠目寸光。
在 w=15 时,贪心策略选择了面值 11 的硬币(因为这样可以尽可
能降低要凑的数额)。
在选择了面值为 11 的硬币之后,我们只好面对 w=4 的处境。
我们重新分析刚刚的情况:
w=15时,我们取了11,接下来面对w=4的情况。
w=15时,如果我们取5,接下来就面对w=10的情况。
我们记“凑出n需要用到的最少硬币数量”为 f(n).
那么,如果我们取了 11,则:
cost = f(4) + 1 = 4 + 1 = 5.
解释:我们用了一枚面值为 11 的硬币,所以加
接下来面对的是 w=4 的情况。f(4) 我告诉你等
相应地,如果我们选择取 5,则:
cost = f(10) + 1 = 2 + 1 = 3.
那么,w=15时,我们选哪枚硬币呢?
cost最低的那一个!
11: cost = f(4) + 1 = 4 + 1 = 5.
5: cost = f (10) + 1 = 2 + 1 = 3.
1: cost = f (14) + 1 = 4 + 1 = 5.
选择5,f( 15) = 3,即为答案!
f(n) = min {f(n− 1) , f(n − 5) ,f(n − 11) } + 1
for(int i = 1; i <=n ; i++{
cost=INF;
if(i-1>=0) cost=min(cost,f[i-1]+1);
if(i-5>=0) cost=min(cost,f[i-5]+1);
if(i-11>=0) cost=min(cost,f[i-11]+1);
f[i]=cost;
}
cout<<f[n];
依次将当前面值n与n-1 n-5 n-11面值的最小硬币数进行状态转移
这个算法的时间复杂度显然是O(n).为什么比暴力要快呢?
我们暴力枚举了“使用的硬币”,然而这属于冗余信息。
我们要的是答案,根本不关心这个答案是怎么凑出来的。
要求出f(15),只需要知道f (14) , f(10) , f(4)的值。
其他信息不需要。
要求出f(15),只需要知道f (14) , f(10) , f(4)的值,而
f (14) , f(10) , f(4)是如何算出来的,对之后的问题没有影响。
“未来与过去无关”,这就是无后效性。