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  • 浅谈斜率优化dp

    Ⅰ、前置知识

    (y=kx+b)
    (k)叫斜率,(b)叫截距
    ((x_1,y_1))((x_2,y_2))两点连成的直线的斜率(k=frac{y1-y2}{x1-x2})

    Ⅱ、抛出问题

    洛谷板子

    题目描述

    (n)个任务排成一个序列在一台机器上等待完成(顺序不得改变),这(n)个任务被分成若干批,每批包含相邻的若干任务。从时刻(0)开始,这些任务被分批加工,第(i)个任务单独完成所需的时间是(T_i)。在每批任务开始前,机器需要启动时间(S),而完成这批任务所需的时间是各个任务需要时间的总和(同一批任务将在同一时刻完成)。每个任务的费用是它的完成时刻乘以一个费用系数(F_i)。请确定一个分组方案,使得总费用最小。
    例如:(S=1)(T={1,3,4,2,1})(F={3,2,3,3,4})。如果分组方案是({1,2})({3})({4,5}),则完成时间分别为({5,5,10,14,14}),费用(C={15,10,30,42,56}),总费用就是(153)

    输入输出格式

    输入格式:

    第一行是(n(1leq nleq5000))
    第二行是(S(0leq Sleq50))
    下面(n)行每行有一对数,分别为(T_i)(F_i),均为不大于(100)的正整数,表示第(i)个任务单独完成所需的时间是(T_i)及其费用系数(F_i)

    输出格式:

    一个数,最小的总费用。

    输入输出样例

    输入样例#1:

    5
    1
    1 3
    3 2
    4 3
    2 3
    1 4

    输出样例#1:

    153

    Ⅲ、分析问题

    首先这题(O(n^2))可以艹过
    但是(O(n^2))过了这题讲斜率优化毫无意义QAQ
    所以请自动将数据范围改成((1leq nleq500000))


    先来看一眼普通(dp)(O(n^2))怎么写

    (f[i])表示处理到第(i)个任务,前(i)个的最小费用
    (t_i)表示时间的前缀和
    (c_i)表示费用的前缀和
    考虑从(j)转移到(i),表示(j+1)(i)打包到一批
    则状态转移方程为

    [f[i]=min_{j=1}^{i}{f[j]+s imes(c_n-c_j)+t_i imes(c_i-c_j)} ]

    由于之前哪些任务被分成一批不好处理,所以可以直接加上(s imes(c_n-c_j))当作对后续状态的处理
    然后推式子
    (j)看作一个变量,然后去掉(min),得到

    [f[i]=f[j]+s imes(c_n-c_j)+t_i imes(c_i-c_j) ]

    拆括号

    [f[i]=f[j]+s imes c_n-s imes c_j+t_i imes c_i-t_i imes c_j ]

    移项

    [f[i]-s imes c_n+s imes c_j-t_i imes c_i+t_i imes c_j=f[j] ]

    [f[j]=f[i]-s imes c_n+s imes c_j-t_i imes c_i+t_i imes c_j ]

    提取公因式

    [f[j]=c_j imes(s+t_i)+f[i]-s imes c_n+-t_i imes c_i ]

    此时式子推成这样
    再看一眼前置知识
    (y=kx+b?)
    此时我们的式子就像一条直线解析式!

    [x=c_j,y=f[j],k=s+t_i,b=f[i]-s imes c_n+-t_i imes c_i ]

    我们想要最小化(f[i]),就是最小化(b)
    而我们此时要做的,就是用一条已知斜率的直线,利用已有的坐标,找到一个最小的(b)
    如图,现在处理到(i),则共有(i-1)个坐标为((z_j,f[j])(1leq j<i))的点
    如图所示

    右下角为当前处理的斜率为(s+t_i)的直线,我们要将它向上平移,直到和上方(i-1)个点中的一个相交
    显然要找的点(j)(也叫决策点)一定在图形的凸包上
    又很显然,决策点一定在下凸壳上,因为下凸壳上的点显然比上凸壳更优
    又很显然,决策点一定在下凸壳的右半侧,因为(k)(即(s+t_i))一定大于(0)
    叕很显然找到决策点之后是这样的

    如何找到决策点?
    观察可以知道,凸包上的直线的斜率具有单调性
    二分!
    每次二分一个点,(check)这个点左侧的直线的斜率是否小于(s+t_i),右侧的斜率是否大于(s+t_i),如果是就证明找到了决策点
    手玩一下更好理解
    找到决策点之后,很明显,决策点左边所有的直线的截距都要大于(s+t_i),所以左边的所有点都没有当前点优
    于是拿单调队列存一下凸包是上的点,如果没有当前直线优则踢掉
    找到决策点后,相当于找到了(j),更新(f[i])
    更新完(f[i])后,为了方便后续的查找,将((c_i,f[i]))插入凸包,并且维护一下凸包的单调性
    最后输出(f[n])即可
    代码:

    #include<bits/stdc++.h>
    #define F(i,j,n) for(register int i=j;i<=n;i++)
    #define INF 0x3f3f3f3f
    #define ll long long
    #define mem(i,j) memset(i,j,sizeof(i))
    using namespace std;
    int n,s,c[5010],t[5010],f[5010],q[5010],l,r;
    inline int read(){
        int datta=0;char chchc=getchar();bool okoko=0;
        while(chchc<'0'||chchc>'9'){if(chchc=='-')okoko=1;chchc=getchar();}
        while(chchc>='0'&&chchc<='9'){datta=datta*10+chchc-'0';chchc=getchar();}
        return okoko?-datta:datta;
    }
    int main(){
        n=read();s=read();
        F(i,1,n){
            t[i]=t[i-1]+read();
            c[i]=c[i-1]+read();
        }
        mem(f,0x3f);
        f[0]=0;
        l=1;r=0;
        q[++r]=0;
        F(i,1,n){
            while(l<r&&f[q[l+1]]-f[q[l]]<=(s+t[i])*(c[q[l+1]]-c[q[l]]))//避免精度误差
                l++;//由于博主太菜了所以用的是线性而不是二分
            f[i]=f[q[l]]+s*(c[n]-c[q[l]])+t[i]*(c[i]-c[q[l]]);//更新
            while(l<r&&(f[i]-f[q[r]])*(c[q[r]]-c[q[r-1]])<=(f[q[r]]-f[q[r-1]])*(c[i]-c[q[r]]))
                r--;
            q[++r]=i;
        }
        printf("%d
    ",f[n]);
        return 0;
    }
    
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