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算法:区间dp

文章目录

  • 一、适用场景
  • 二、基本思路
    • 步骤
    • 时间复杂度:
  • 三、例题

区间动态规划(Interval DP)是一种用于解决某些需要处理区间或子段问题的动态规划方法,特别适合于问题的解可以通过子区间的解进行组合的情况。该方法的核心思想是在子区间上进行分治,将大问题划分为较小的子问题,通过解决这些子问题来构建整个问题的解。

一、适用场景

区间 DP 主要用于解决一些涉及区间(或序列)的问题。这类问题通常要求在一个序列上做某种操作(如合并、拆分、重排等),并且这些操作的结果取决于其子区间的操作结果。常见的应用包括:

  1. 石子合并问题(合并区间)。
  2. 括号匹配问题
  3. 最优矩阵连乘问题
  4. 回文分割问题

二、基本思路

区间 DP 的核心是通过枚举区间的分割点,将问题分解为两个或多个子区间的问题。解决每个子区间的问题后,再通过这些子区间的解组合得到整个区间的解。

步骤

  1. 定义状态
    • dp[i][j] 表示在区间 [i, j] 上的最优解。
  2. 状态转移方程
    • 根据问题的性质,找到合适的分割方式,通常是选择一个分割点 k,将区间 [i, j] 分为 [i, k][k+1, j] 两个部分,并通过已知的子区间解来更新 dp[i][j]
    • 一般形式的状态转移方程为:
      d p [ i ] [ j ] = min ⁡ i ≤ k < j ( d p [ i ] [ k ] + d p [ k + 1 ] [ j ] + 合并代价 ) dp[i][j] = \min_{i \leq k < j} (dp[i][k] + dp[k+1][j] + 合并代价) dp[i][j]=ik<jmin(dp[i][k]+dp[k+1][j]+合并代价)
      其中 k 是区间的分割点,合并代价 由具体问题定义。
  3. 初始状态
    • 最小区间的解(例如,当 i == j 时,区间仅包含一个元素,通常可以直接得到最优解)。
  4. 结果
    • 最终目标是通过填充 dp 数组,找到 dp[1][n](即整个区间 [1, n] 的最优解)。

时间复杂度:

区间 DP 的时间复杂度取决于问题的规模。对于每个区间 [i, j],需要遍历所有的分割点 k,这通常需要三层循环,因此复杂度为 O ( n 3 ) O(n^3) O(n3),其中 n 是序列的长度。

三、例题

Acwing:282.石子合并
在这里插入图片描述
这是一个经典的区间dp的问题。根据前面的描述,我们可以知道,区间dp实际上就是将整个区间问题转化成多个区间子问题,然后状态转移至整个区间。

这里所说的石子合并,就是将两个子区间合并成一个大区间。
我们将石子合并成一堆,那么在前一步一定是两堆合并而来的,那么这两堆分别又是一个子问题,实际上动态规划也是处理子问题到整个问题转移的算法。

我们可以定义 d p [ i ] [ j ] dp[i][j] dp[i][j]表示从初始开始编号为i + 1 ~ j + 1的石子合并成一堆的最小代价。那么必然有 d p [ i ] [ j ] = d p [ i ] [ k ] + d p [ k + 1 ] [ j ] + m [ j ] − m [ i − 1 ] dp[i][j] = dp[i][k] + dp[k+1][j] +m[j] - m[i - 1] dp[i][j]=dp[i][k]+dp[k+1][j]+m[j]m[i1](其中i<=k<=j)。

我们可以发现,动态规划实际上就是带有记忆的搜素。这里我们并不知道哪个子问题合并起来才是最优的,因此我们遍历所有可能得子区间划分情况来求解。由这个递推,我们从小区间到大区间依次求值。

注意合并才有代价,单个石子代价为0
时间复杂度: O ( N 3 ) O(N^3) O(N3)

#include<bits/stdc++.h>
using  namespace  std;
int main(void){ios_base::sync_with_stdio(false);cin.tie(0);int N; cin >> N;vector<int> m(N, 0);vector<vector<int>> dp(N, vector<int>(N, 0x3f3f3f3f));cin >> m[0]; dp[0][0] = 0;for(int i = 1; i < N; ++ i){cin >> m[i];m[i] += m[i - 1];dp[i][i] = 0;}for(int i = 1; i < N; ++ i){for(int j = 0; j + i < N; ++ j){int p = i + j;for(int k = j; k < p; ++ k){if(j != 0)dp[j][p] = min(dp[j][p], dp[j][k] + dp[k + 1][p] + m[p] - m[j - 1]);else dp[j][p] = min(dp[j][p], dp[j][k] + dp[k + 1][p] + m[p]);}}}cout << dp[0][N - 1];return 0;
}

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