算法初步：再讨论一点动态规划

Posted 2020-09-21 安安zoe

原创 by zoe.zhang

　　动态规划真的很好用啊，但是需要练习，还有很多技巧要学习。

1.滚动数组

　　动态规划是用空间换取时间，所以通常需要为DP数组开辟很大的内存空间来存放数据，但有的时候空间太大超过内存限制，特别是在OJ的时候，容易出现MLE的问题。而在一些动规的题目中，我们可以利用滚动数组来优化空间。

　　适用条件：DP状态转移方程中，仅仅需要前面若干个状态，而每一次转移后，都有若干个状态不会再被用到，也就是废弃掉，此时可以使用滚动数组来减少空间消耗。

　　优点：节约空间。

　　缺点：在时间消耗上没什么优势，有可能还带来时间上的额外消耗。在打印方案或者需要输出每一步的状态的时候比较困难，因为此时只有一个最终的状态结果。

举例：

1）一维数组：斐波那契数列

// 至少100个内存空间
int d[100] = { 0 };
d[0] = 1; d[1] = 1;
for (int i = 2; i < 100; i++)
    d[i] = d[i - 1] + d[i - 2];
cout << d[99];

// 滚动数组
int d[3] = { 0 };
d[0] = 1; d[1] = 1;
for (int i = 2; i < 100; i++)
    d[i%3] = d[(i - 1)%3] + d[(i - 2)%3];
cout << d[99];

 2） 二维数组：

// 至少100*100的内存空间
int dp[100][100];
for (int i = 1; i < 100; i++)
    for (int j = 1; j < 100; j++)
        d[i][j] = d[i - 1][j] + d[i][j - 1];

// 滚动数组
int dp[2][100];
for (int i = 1; i < 100; i++)
    for (int j = 1; j < 100; j++)
        d[i%2][j] = d[（i - 1）%2][j] + d[i%2][j - 1];

　　 注意这里取模%的操作是比较通用的操作，因为有些滚动数组可能有超过3维以上的维度，需要用到多个状态。

　　不过我们在做动态规划的题目中，最常见用到的就是二维的滚动数组，所以我们可以用一些其他方法来代替取模操作（取模还是比较费时的）。可以用&1来代替%2的操作，也可以设置一个变量t，因为只有0和1两种状态，可以使用^来改变t的状态，也可以使用 t = 1-t 来变换t 的状态，这些比取模的操作都要快一些。

 

2.堆砖块

　　【题目】小易有n块砖块，每一块砖块有一个高度。小易希望利用这些砖块堆砌两座相同高度的塔。为了让问题简单，砖块堆砌就是简单的高度相加，某一块砖只能使用在一座塔中一次。小易现在让能够堆砌出来的两座塔的高度尽量高，小易能否完成呢。 

　　输入包括两行：第一行为整数n(1 ≤ n ≤ 50)，即一共有n块砖块；第二行为n个整数，表示每一块砖块的高度height[i] (1 ≤ height[i] ≤ 500000)

　　输出描述:如果小易能堆砌出两座高度相同的塔，输出最高能拼凑的高度，如果不能则输出-1；保证答案不大于500000。

　　输入例子:3

　　      2 3 5
　输出例子:5

　　【解答】：借鉴别人的答案，dp[i][j] 的值为较矮的那块砖的值，i值为第 i 块砖，j 为 两块砖之间的高度差，那么结果要求 d[n][0] 的值。

　　状态的转移：a[i] 是第 i 块砖的高度

　　（1）第 i 块砖不放： d[i][j] = d[i-1][j];

　　（2）第 i 块砖放在矮的那堆上，高度依旧比原来高的矮：  d[i][j] = d[i-1][j+a[i]]+a[i]  （此时高度差为j; 原来的高度差为 j+ a[i]）

　　（3）第 i 块砖放在矮的那堆上，高度依旧比原来高的高： d[i][j] = d[i-1][a[i]-j]+a[i]-j （此时原来高的变为矮的，原来的高度差为 a[i]- j, 然后求原来高的高度）

　　（4）第 i 块砖放在高的那堆上: d[i][j] = d[i-1][j-a[i]]

　　初始化：d[0][i]=-1, d[0][0]=0。

　　这里我们需要使用滚动数组，因为需要开辟的空间有50 *50 0000,很大，所以建议使用滚动数组来优化一下空间。

　　【程序】

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <algorithm>
using namespace std;

const int maxh = 500000 + 5;
int a[55];
int dp[2][maxh];  // 2维数组 

int main()
{
    int n;
    int sum = 0;
    cin >> n;
    for (int i = 1; i <= n; i++)
    {
        cin >> a[i];
        sum += a[i];  //这里有点疑问
    }

    memset(dp[0], -1, sizeof(dp[0]));  // 初始化边际条件
    dp[0][0] = 0;

    int t = 1;
    for (int i = 1; i <= n; i++)
    {
        for (int j = 0; j <= sum; j++)
        {
            dp[t][j] = dp[t ^ 1][j];  //【1】  注意 t^1 
            if ((j + a[i] <= sum) && (dp[t ^ 1][j + a[i]] >= 0))   
                dp[t][j] = max(dp[t][j], dp[t ^ 1][j + a[i]] + a[i]);
            if ((a[i] - j >= 0) && (dp[t ^ 1][a[i] - j] >= 0))   // && 的短路操作
                dp[t][j] = max(dp[t][j], dp[t ^ 1][a[i] - j] + a[i] - j);
            if (j - a[i] >= 0 && dp[t ^ 1][j - a[i]] >= 0)
                dp[t][j] = max(dp[t][j], dp[t ^ 1][j - a[i]]);
        }
        t ^= 1;   // 也可以将 所有的 t^1 换成： t = 1- t
    }
    cout << (dp[t ^ 1][0] == 0 ? -1 : dp[t ^ 1][0]);

    return 0;
}

 

　　另外一种滚动数组是采用的取模：%2 也就是& 1的操作：

#include <iostream>  
#include <cstdio>  
#include <cstring>  
#include <algorithm>  
using namespace std;

const int maxh = 500000 + 5;
int a[55];
int d[2][maxh];

int main()
{
    int n;
    int sum = 0;
    scanf("%d", &n);
    for (int i = 1; i <= n; i++)
    {
        scanf("%d", &a[i]);
        sum += a[i];
    }
    memset(d[0], -1, sizeof(d[0]));
    d[0][0] = 0;
    for (int i = 1; i <= n; i++)
    {
        for (int j = 0; j <= sum; j++)
        {
            d[i & 1][j] = d[(i - 1) & 1][j];
            if (j + a[i] <= sum && d[(i - 1) & 1][j + a[i]] >= 0)
                d[i & 1][j] = max(d[i & 1][j], d[(i - 1) & 1][j + a[i]] + a[i]);
            if (a[i] - j >= 0 && d[(i - 1) & 1][a[i] - j] >= 0)
                d[i & 1][j] = max(d[i & 1][j], d[(i - 1) & 1][a[i] - j] + a[i] - j);
            if (j - a[i] >= 0 && d[(i - 1) & 1][j - a[i]] >= 0)
                d[i & 1][j] = max(d[i & 1][j], d[(i - 1) & 1][j - a[i]]);
        }
    }
    printf("%d\\n", d[n & 1][0] == 0 ? -1 : d[n & 1][0]);
    return 0;
}

 

3.最长回文子序列（Palindromic sequence）

　　这里有几个概念最长公共子序列LCS，最长公共子串，最长回文子序列，最长回文子串，子序列通常要求元素之间不是连续，而子串要求元素之间必须是连续的。

　　LCS是最经典的动态规划例题，LPS最长回文子序列也是经常用得到，这里做一点探讨。(LCS 在之前一篇博文已经讲过了，这里只讲一下LPS）

　　求LPS有两种方法：

　　1）假设有一个序列S，其最长回文子序列为Sp，其逆序序列是ST，则 LPS（S）= Sp = LCS（S，ST），就是说最长回文子序列就是序列S与其逆序ST之间的最长公共子序列，这个很好理解，在求解时套用LCS的解法即可。这个思想已经可以很好的解决LPS的问题，只有一单缺点，就是逆序操作可能需要消耗一点时间和空间。

　　2）直接动态规划，列出状态转移方程。LPS（i，j）是 序列S(i,i+1,i+2,……j)的最长回文子序列

　　

//动态规划求解最长回文子序列，时间复杂度为O(n^2)  
int lpsDp(char *str, int n)  
{  
    int dp[10][10], tmp;  
    memset(dp, 0, sizeof(dp));  
    for (int i = 0; i < n; ++i)  dp[i][i] = 1;  
  
    for (int i = 1; i < n; ++i)  
    {  
        tmp = 0;  
        //考虑所有连续的长度为i+1的子串，str[j....j+i]  
        for (int j = 0; j + i < n; j++)  
        {  
            if (str[j] == str[j + i])  
                tmp = dp[j + 1][j + i - 1] + 2;  
            else   
                tmp = max(dp[j + 1][j + i], dp[j][j + i - 1]);  
            dp[j][j + i] = tmp;  
        }  
    }  
    return dp[0][n - 1]; //返回字符串str[0...n-1]的最长回文子序列长度  
}  

例：poj1159 给你一个字符串，可在任意位置添加字符，最少再添加几个字符，可以使这个字符串成为回文字符串。（这一道用到了LPS和滚动数组。）

int FindLenLPS(int n)
{
    for (int i=0; i<2; ++i)
    {
        for (int j=0; j<n; ++j)
        {
            AnsTab[i][j]=0;
        }
    }
    AnsTab[0][0]=1;

    int refresh_col;    
    int base_col;    
    for (int i=1; i<n; ++i)    //从第一列开始，共需更新n-1列(次);自左向右
    {
        refresh_col=i%2;
        base_col=1-refresh_col;

        AnsTab[refresh_col][i]=1;

        for (int j=i-1; j>=0; --j)    //自下而上
        {
            //应用状态转移方程
            if (inSeq[j]==inSeq[i])
            {
                AnsTab[refresh_col][j]=2+AnsTab[base_col][j+1];
            }
            else
            {
                AnsTab[refresh_col][j]=max(AnsTab[refresh_col][j+1], AnsTab[base_col][j]);
            }
        }
    }

    return AnsTab[(n-1)%2][0];    //这就是LPS的长度
}