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  • 最长回文子串

    http://www.nocow.cn/index.php/Translate:USACO/calfflac 题意就是在一个字符串中找到最长的回文串,一般的dp问题有问题(虽然USACO过……)

    一、直接模拟法

    枚举每个字符为中间字符向两边扩展,但是要注意奇数和偶数的问题,这就可以对原串进行改进,也就是在两边和每个字符间加上‘#’,具体改进方法见方法二

     二、算法大致过程是这样。先在每两个相邻字符中间插入一个分隔符,当然这个分隔符要在原串中没有出现过。一般可以用‘#’分隔。这样就非常巧妙的将奇数长度回文串与偶数长度回文串统一起来考虑了(见下面的一个例子,回文串长度全为奇数了),然后用一个辅助数组P记录以每个字符为中心的最长回文串的信息。P[id]记录的是以字符str[id]为中心的最长回文串,当以str[id]为第一个字符,这个最长回文串向右延伸了P[id]个字符。
        原串:    w aa bwsw f d 
        新串:   # w # a # a # b # w # s # w # f # d #
    辅助数组P:  1 2 1 2 3 2 1 2 1 2 1 4 1 2 1 2 1 2 1
        这里有一个很好的性质,P[id]-1就是该回文子串在原串中的长度(包括‘#’)。如果这里不是特别清楚,可以自己拿出纸来画一画,自己体会体会。当然这里可能每个人写法不尽相同,不过我想大致思路应该是一样的吧。
        好,我们继续。现在的关键问题就在于怎么在O(n)时间复杂度内求出P数组了。只要把这个P数组求出来,最长回文子串就可以直接扫一遍得出来了。
        由于这个算法是线性从前往后扫的。那么当我们准备求P[i]的时候,i以前的P[j]我们是已经得到了的。我们用mx记在i之前的回文串中,延伸至最右端的位置。同时用id这个变量记下取得这个最优mx时的id值。(注:为了防止字符比较的时候越界,我在这个加了‘#’的字符串之前还加了另一个特殊字符‘$’,故我的新串下标是从1开始的)

    代码:

    void pk()
    {
       
    int i;
       
    int mx = 0;
       
    int id;
       
    for(i=1; i<n; i++)
        {
           
    if( mx > i )
                p[i]
    = MIN( p[2*id-i], mx-i );       
           
    else
                p[i]
    = 1;
           
    for(; str[i+p[i]] == str[i-p[i]]; p[i]++)
                ;
           
    if( p[i] + i > mx )
            {
                mx
    = p[i] + i;
                id
    = i;
            }
        }
    }
    三、后缀数组

    一个整体O(n)的算法(参考许智磊论文)

    整体用后缀数组实现。

    求以i为中心向两边扩展的最远值,等价于求Suffix(i)和Suffix(i')的最长公共前缀。其中i'=2n-i+2

    Suffixarray-calfflac.gif

    解法: 1.初始化答案为0。S=T+'#'+Reverse(T)+$,得到串S (O(n)) 2.求出后缀数组SA、名次数组Rank (倍增法:O(nlogn) Dc3算法:O(n)) 3.计算height数组并进行标准RMQ方法预处理 (O(n)) 4.枚举i,计算以i为对称中心的极长回文串并更新答案 (O(n))

    代码:

    #include<stdio.h>
    #include<iostream>
    #include<fstream>
    #include<string>
    using namespace std;
    ifstream fin("calfflac.in");
    ofstream fout("calfflac.out");
     
    const int MAX=20000*6;
    char ab[MAX];
    int point[MAX];
    int sa[MAX];
    int rb[MAX];
    int rank[MAX],height[MAX];
    int n,m;
     
    int wa[MAX],wb[MAX],wv[MAX],wk[100];
    int tb;
     
    int F(int i,int tb)
    {
    if(i%3==1)
    return i/3;
    else return i/3+tb;
    }
     
    int G(int i,int tb)
    {
    if(i<tb)
    return i*3+1;
    else return (i-tb)*3+2;
    }
     
    int compare0(int*r,int i,int j)
    {
    return r[i]==r[j]&&r[i+1]==r[j+1]&&r[i+2]==r[j+2];
    }
     
    int compare1(int k,int*r,int i,int j)
    {
    if(k==2)
    {
    return r[i]<r[j]||r[i]==r[j]&&compare1(1,r,i+1,j+1);
    }else return r[i]<r[j]||r[i]==r[j]&&wv[i+1]<wv[j+1];
    }
     
    void sort(int *r,int *a,int *b,int n,int m)
    {
         int i;
         for(i=0;i<n;i++)
    wv[i]=r[a[i]];
         for(i=0;i<m;i++)
    wk[i]=0;
         for(i=0;i<n;i++)
    wk[r[a[i]]]++;
         for(i=1;i<m;i++)
    wk[i]+=wk[i-1];
         for(i=n-1;i>=0;i--)
    b[--wk[r[a[i]]]]=a[i];
         return;
    }
     
    void dc3(int* r,int* sa,int n,int m)
    {
    int *rn=r+n,*san=sa+n,ta=0,tbc=0,p=0;
    int tb=(n+1)/3;
    r[n]=r[n+1]=0;
    for(int i=0;i<n;++i)
    if(i%3!=0)
    {
    wa[tbc]=i;
    ++tbc;
    }
        sort(r+2,wa,wb,tbc,m);
        sort(r+1,wb,wa,tbc,m);
        sort(r,wa,wb,tbc,m);
    p=1;
    rn[F(wb[0],tb)]=0;
    for(int i=1;i<tbc;++i)
    {
    if(!compare0(r,wb[i],wb[i-1]))
    {
    rn[F(wb[i],tb)]=p;
    ++p;
    }
    else
    {
    rn[F(wb[i],tb)]=p-1;
    }
    }
    if(p<tbc)
    {
    dc3(rn,san,tbc,p);
    }else
    {
    for(int i=0;i<tbc;++i)
    san[rn[i]]=i;
    }
    for(int i=0;i<tbc;++i)
    {
    if(san[i]<tb)
    {
    wb[ta++]=san[i]*3;
     
    }
    }
        if(n%3==1)
        {
    wb[ta]=n-1;
    ++ta;
    }
    sort(r,wb,wa,ta,m);
    for(int i=0;i<tbc;++i)
    {
    wb[i]=G(san[i],tb);
    wv[wb[i]]=i;
    }
    int i,j;
        for(i=0,j=0,p=0;i<ta&&j<tbc;++p)
        sa[p]=compare1(wb[j]%3,r,wa[i],wb[j])?wa[i++]:wb[j++];
        for(;i<ta;++p)
    {
    sa[p]=wa[i];
    ++i;
    }
        for(;j<tbc;++p)
    {
    sa[p]=wb[j];
    ++j;
    }
    }
     
    int min(int a,int b)
    {
    return a<b?a:b;
    }
     
    int st[MAX][17];
    int mm[MAX];
     
    void initRMQ(int *c,int* mm,int n)
    {
    int i=0,j=0,a=0,b=0;
    mm[0]=-1;
    for(i=1;i<=n;++i)
    mm[i]=((i&(i-1))==0)?mm[i-1]+1:mm[i-1];
    for(i=1;i<=n;++i)
    st[i][0]=i;
    for(i=1;i<=mm[n];++i)
    for(j=1;j+(1<<i)<=n+1;++j)
    {
    a=st[j][i-1];
    b=st[j+(1<<(i-1))][i-1];
    if(c[a]<c[b])
    st[j][i]=a;
    else
    st[j][i]=b;
    }
    return;
    }
     
    int askRMQ(int*mm,int* c,int a,int b)
    {
    if(a>b)
    {
    int t=a;
    a=b;
    b=t;
    }
    ++a;
    int t=mm[b-a+1];
    b-=(1<<t)-1;
    a=st[a][t];
    b=st[b][t];
    return c[a]<c[b]?a:b;
    }
     
    void hight(int* r,int* sa,int n)
    {
    for(int i=1;i<=n;++i)
    rank[sa[i]]=i;
    height[sa[0]]=0;
    int k=0;
    for(int i=0;i<n;++i)
    {
    int j=sa[rank[i]-1];
    k=k?k-1:0;
    for(;r[i+k]==r[j+k];++k)
    ;
    height[rank[i]]=k;
    }
    }
    /*.................................................*/
     
    int main()
    {
    freopen("calfflac.in","r",stdin);
    freopen("calfflac.out","w",stdout);
    int t=0;
    while(scanf("%c",&ab[t])!=EOF)++t;
    for(int i=0;i<t;++i)
    {
    if('A'<=ab[i]&&ab[i]<='Z')
    {
    rb[n]=ab[i]-'A'+2;
    point[n]=i;
    ++n;
    }else if('a'<=ab[i]&&ab[i]<='z')
    {
    rb[n]=ab[i]-'a'+2;
    point[n]=i;
    ++n;
    }
    }
    rb[n]=1;
    m=38;
    int nn=n*2+1;
    for(int i=n+1;i<nn;++i)
    rb[i]=rb[2*n-i];
    dc3(rb,sa,nn+1,m);
    hight(rb,sa,nn);
    initRMQ(height,mm,nn);
     
    int now=0,max=0,now2=0,max2=0;
    for(int i=0;i<n;++i)
    {
    if(rb[i]==rb[i+1])
    {
    int t=askRMQ(mm,height,rank[i+1],rank[2*n-i]);
    if(height[t]>max2)
    {
    max2=height[t];
    now2=i;
    }
    }
    int t=askRMQ(mm,height,rank[i],rank[2*n-i]);
    if(height[t]>max)
    {
    max=height[t];
    now=i;
    }
    }
    if(max*2-1>max2*2)
    {
    printf("%d ",max*2-1);
    int a=point[now-max+1];
    int b=point[now+max-1];
    for(int i=a;i<=b;++i)
    {
    printf("%c",ab[i]);
    }
    printf(" ");
    }else
    {
    printf("%d ",max2*2);
    int a=point[now2-max2+1];
    int b=point[now2+max2];
    for(int i=a;i<=b;++i)
    {
    printf("%c",ab[i]);
    }
    printf(" ");
    }
    }

    啊缩进被吞了,各位凑合看吧咩= =

    四、分治

    我们把串分成均匀的两部分:

     求最长回文子串 - 小子 - 那个小子

    对左边、右边分别递归求最长回文子串,下面的工作只要考虑那些“跨越”粗线的回文串即可。

     求最长回文子串 - 小子 - 那个小子

    假设上面是一个回文串,深桔色和深蓝色的部分对称相等。

     求最长回文子串 - 小子 - 那个小子

    如上,实际上就是桔色和蓝色对称相等、且浅桔色和浅蓝色对称相等。桔色和浅桔色交接的地方(也就是粗红线),称之为这个回文串的“对称分界点”。

    一个回文串必然满足:

    1、对称分界点到二分点(上图两条粗线条之间的部分)之间,是回文。

    2、从对称分界点向左扩展、从二分点向右扩展,必须是完全相等的。

    设原串为S,左边的串记为L、右边的串记为R。字符串S的逆序记为r(S)。
     

     求最长回文子串 - 小子 - 那个小子

     

    用extend_west[i]表示第i个字符向左,和R匹配,最远可以匹配多远。

     

     求最长回文子串 - 小子 - 那个小子

    显然extend_west[i]就是以r(L)为母串,R为子串的“扩展KMP”。O(n)内可以解决

    类似的extend_east[i]表示从第i个字符向右扩展,和r(L)匹配,最远可以匹配多远。

     求最长回文子串 - 小子 - 那个小子

    显然extend_east[i]是以L为母串,r(L)为子串的“扩展KMP”。O(n)内可以解决

    求出来extend_west和extend_east有什么用呢?

     求最长回文子串 - 小子 - 那个小子

    我们枚举“对称分界点”,设为A;设二分点为M。根据条件,只要满足:

    extend_east[A]*2>=M-A+1

    就肯定存在以A为对称分界点的回文串。S[A..M]称为基本回文串。

    因为要求长度最大,我们在基本回文串的基础上向两边扩展,容易发现扩展的长度就是extend_west[A-1](规定extend_west[0]=0),所以此时的长度:

    LENGTH=extend_west[A-1]*2+M-A+1

    枚举所有可能的“对称分界点”(总共不超过n个),对每个分界点,根据上面的分析,只要用O(1)的时间复杂度就能判定它的合法性、以及求出以该点为分界点时的最大回文串长度。

    最后取最大值即可。

    注意到上面的讨论中,回文串的“重心”在L中——所谓重心就是回文串中点。所以“对称分界点”也在L中。实际上还有可能是下面的情况:

     求最长回文子串 - 小子 - 那个小子

    类似处理即可,此不赘述。

    以上我们就在O(n)的时间复杂度内(n=|S|),求出了跨越“二分点”的最长回文串长度。

    分析一下时间复杂度。设计算长度为n的串的时间复杂度是f(n),一个粗略的递推可以写成:

    f(n)=2f(n/2)+n (其中n是求跨越二分点的最长回文子串的复杂度,f(n/2)分别是递归处理两边的复杂度)

    f(1)=1

    很容易算出:

    f(n)~nlogn

    也就是说该算法复杂度是O(nlogn)。

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