动态规划 - 好孩子's Blog

nlogn的最长子序列算法

这是一个很好的题目。题目的算法还是比较容易看出来的,就是求最长上升子序列的长度。不过这一题的数据规模最大可以达到40000,经典的O(n^2)的动态规划算法明显会超时。我们需要寻找更好的方法来解决是最长上升子序列问题。

  先回顾经典的O(n^2)的动态规划算法,设A[i]表示序列中的第i个数,F[i]表示从1到i这一段中以i结尾的最长上升子序列的长度,初始时设F[i] = 0(i = 1, 2, ..., len(A))。则有动态规划方程:F[i] = max{1, F[j] + 1} (j = 1, 2, ..., i - 1, 且A[j] < A[i])。

  现在,我们仔细考虑计算F[i]时的情况。假设有两个元素A[x]和A[y],满足

   (1)x < y < i (2)A[x] < A[y] < A[i] (3)F[x] = F[y]

  此时,选择F[x]和选择F[y]都可以得到同样的F[i]值,那么,在最长上升子序列的这个位置中,应该选择A[x]还是应该选择A[y]呢?

  很明显,选择A[x]比选择A[y]要好。因为由于条件(2),在A[x+1] ... A[i-1]这一段中,如果存在A[z],A[x] < A[z] < a[y],则与选择A[y]相比,将会得到更长的上升子序列。

  再根据条件(3),我们会得到一个启示:根据F[]的值进行分类。对于F[]的每一个取值k,我们只需要保留满足F[i] = k的所有A[i]中的最小值。设D[k]记录这个值,即D[k] = min{A[i]} (F[i] = k)。

  注意到D[]的两个特点:

  (1) D[k]的值是在整个计算过程中是单调不上升的。
  (2) D[]的值是有序的,即D[1] < D[2] < D[3] < ... < D[n]。

  利用D[],我们可以得到另外一种计算最长上升子序列长度的方法。设当前已经求出的最长上升子序列长度为len。先判断A[i]与D[len]。若A[i] > D[len],则将A[i]接在D[len]后将得到一个更长的上升子序列,len = len + 1, D[len] = A[i];否则,在D[1]..D[len]中,找到最大的j,满足D[j] < A[i]。令k = j + 1,则有D[j] < A[i] <= D[k],将A[i]接在D[j]后将得到一个更长的上升子序列,同时更新D[k] = A[i]。最后,len即为所要求的最长上升子序列的长度。

  在上述算法中,若使用朴素的顺序查找在D[1]..D[len]查找,由于共有O(n)个元素需要计算,每次计算时的复杂度是O(n),则整个算法的时间复杂度为O(n^2),与原来的算法相比没有任何进步。但是由于D[]的特点(2),我们在D[]中查找时,可以使用二分查找高效地完成,则整个算法的时间复杂度下降为O(nlogn),有了非常显著的提高。需要注意的是,D[]在算法结束后记录的并不是一个符合题意的最长上升子序列!

  这个算法还可以扩展到整个最长子序列系列问题,整个算法的难点在于二分查找的设计,需要非常小心注意。

#i nclude <stdio.h>
#i nclude <string.h>
int D[40000];
int binarysearch(int low,int high,int m)
{
    int mid;
    mid=(low+high)/2;
    while(low<=high)
    {
        if(D[mid]<m && D[mid+1]>=m) return mid;
        else if(D[mid]<m) low=mid+1;
        else high=mid-1;
        mid=(low+high)/2;
    
    return mid;
   
int main()
{
    int a[40000];
    int kase,n,i,j,k,len;
    scanf("%d",&kase);
    while(kase--)
    {
        scanf("%d",&n);
        for(i=1;i<=n;i++) scanf("%d",&a[i]);
        //memset(D,0,sizeof(D));
        D[1]=a[1];
        len=1;
        for(i=2;i<=n;i++)
        {
            if(a[i]>D[len]){len++;D[len]=a[i];}
            else
            {
                j=binarysearch(1,len,a[i]);
                k=j+1;
                D[k]=a[i];
            
         
         printf("%d\n",len);   
    }
    return 1;
}

 

最大子序列和最大子矩阵

数组的最大子序列问题:给定一个数组,其中元素有正,也有负,找去其中一个连续子序列 , 使
和最大。
这个问题可以可以动态规划的思想解决:
设 b[i]: 表示以第 i 个元素 a[i] 结尾的最大子序列 , 那么显然
b[i+1]=b[i]>0?b[i]+a[i+1]
基于这一点很快就可以完成如下代码 :
int maxSubArray( int ar[], int n)
{
int max = ar[0];
int b = ar[0];
int i;
for (i = 1; i < n; i++)
{
if (b > 0)
b += ar[i];
else
b = ar[i];
if (b > max)
max = b;
}
return max;
}
扩展问题 : 给定一个矩阵 ( 二维数组 ), 其中数据有大有小 , 请找一个子矩阵 , 使得子矩阵的和最大 , 并
输出这个和
同样可以利用动态规划的思想来解决我们想 , 如果确定了选择第 i 列和第 j 列之间的元素 , 那么在这个范围内 , 其实就是一个最大子序
列问题
现在确定第 i 列和第 j 列间,我用的是暴搜
代码如下:
int maxSubMatrix( int (*ma)[4], int m, int n)
{
int i, j, k, max = ma[0][0], tmp;
// 记录每行的和
int * sum = malloc(m * sizeof( int ));
for (i = 0; i < n; i++)
{
for (k = 0; k < m; k++)
sum[k] = 0;
for (j = i; j < n; j++)
{
for (k = 0; k < m; k++)
{
sum[k] += ma[k][j];
}
tmp = maxSubArray(sum, n);
if (tmp > max)
max = tmp;
}
}free(sum);
return max;
}
测试代码
int main()
{
int a[] = {-3, 4, 7, -9, 10, 21, -3, 5, 9};
int ma[3][4] = {-1, 3, 4, 5, 2, 1, 6, 7, 8, -9, -10, 20};
printf(" %d\n ", maxSubArray(a, 9));
printf(" %d\n ", maxSubMatrix(ma, 3, 4));
return 0;
}