動態規劃複習

NOIP複習篇———動態規劃
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高手的切磋不在於難題,而在於SB算法....NOIP來了,決不能犯SB錯誤
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1.1 動態規劃
#定義#
  動態規劃屬於運籌學分類的一種,是解決多階段決策問題的一種手段,其內部結構和搜索很相似:
    動態規劃:由已知推到未知
    搜索:由未知推到已知
  不同的方法在實現上可能會有時間上的大量差別,動態規劃枚舉子問題求最優值,搜索枚舉決策
#技巧#
  解決動態規劃問題是每個OIer必備的基礎,作爲只能應付PJ的我也只是略懂...
  動態規劃問題求解步驟:
  1)對問題進行分析,通過反證法證明問題具有最優子結構和無後效性
  2)找到問題的階段
  3)根據階段,找到描述階段的量,這個量就組成了狀態
  4)思考每一個問題的由來,例如fibnacio數列的每個子問題的關係是:f[n]=f[n-1]+f[n-2],這步就是動態轉移方程
  5)實現代碼,有幾個狀態枚舉幾層,逐個描述,然後主體就是動態轉移方程
  6)對於無從下手的動態規劃問題,可以先用搜索的理解來找出轉移方程,實在無奈,果斷選擇記憶化搜索
  7)對於空間過大的動態規劃,我們可以利用《滾動數組》《離散化》等手段來優化
  8)尋找問題的初始階段,如果fibnacio就是f(0)=f(1)=1
#動態規劃的分類#
  動態規劃分爲以下幾類:
  【1】序列型動態規劃
  【2】棋盤型動態規劃
  【3】區間型動態規劃
  【4】劃分型動態規劃
  【5】揹包型動態規劃
  【6】狀態壓縮型動態規劃
  【7】環形動態規劃
  【8】樹形動態規劃
 對於PJ的難度,只需要考察【1】【2】【3】【4】【5】【7】

1.2 例題
  1.2.1 序列型動態規劃例題——《攔截導彈》(NOIP1999提高組)
題目描述 Description

    某國爲了防禦敵國的導彈襲擊,發展出一種導彈攔截系統。但是這種導彈攔截系統有一個缺陷:雖然它的第一發炮彈能夠到達任意的高度,但是以後每一發炮彈都不能高於前一發的高度。某天,雷達捕捉到敵國的導彈來襲。由於該系統還在試用階段,所以只有一套系統,因此有可能不能攔截所有的導彈。

輸入描述 Input Description

輸入導彈依次飛來的高度(雷達給出的高度數據是不大於30000的正整數)

輸出描述 Output Description

輸出這套系統最多能攔截多少導彈,如果要攔截所有導彈最少要配備多少套這種導彈攔截系統。

樣例輸入 Sample Input

7

389 207 155 300 299 170 158 65 

樣例輸出 Sample Output

6

2

數據範圍及提示 Data Size & Hint

導彈的高度<=30000,導彈個數<=20

 【分析】
    將題目數學建模:導彈抽象爲點,能連續打抽象爲邊
    則得到下圖:
    那麼很明顯,題目是要我們求最長連續的一段不上升子序列(第一問),第二問就是最長不下降子序列的長度
    那麼,如何求最長不下降(上升)子序列呢?
    以不下降舉例:
    (1)證明最優子結構:
                假設:f(n)與f'(n)無關
                          則f'(n)的任意一個值都不等於f(n)
                          而一個導彈的高度取決於前一個導彈的高度
                          所以矛盾
                          故假設不成立,原命題成立。
             顯然一定具有無後效性
    (2)階段:已經處理的導彈的數目
    (3)狀態:f(i)表示以第i顆導彈爲結尾的最長不下降子序列
    (4)顯然,f(i)=max{f(j)}+1     (2<=i<=n,1<=j<i)
    (5)時間複雜度爲O(N^2),空間複雜度O(N),貌似沒辦法優化,但實質上是有的!
             我們發現,對於每一個階段的值,有些處理是不必要的,而且整個線段是具有單調性的
             所以利用單調隊列進行優化
    至此,這道題目已經AC了!
  1. //樸素O(N^2)代碼  
  2. #include<iostream>  
  3. #include<cstdio>  
  4. using namespace std;  
  5. int a[30000];  
  6. int n=1,i,j,max1;  
  7. int f[600000];  
  8. int main()  
  9. {  
  10.     while(scanf("%d",&a[n++])!=EOF);  
  11.     n--;  
  12.     f[1]=1;     
  13.     for(i=2;i<=n;i++){f[i]=1;  
  14.          for(j=1;j<=i-1;j++)  
  15.              if(f[j]+1>f[i] && a[j]>=a[i])f[i]=f[j]+1;  
  16.         }  
  17.     max1=0;  
  18.     for(i=1;i<=n;i++)if(f[i]>max1)max1=f[i];  
  19.         cout<<max1-1<<endl;  
  20.     f[1]=1;  
  21.     for(i=2;i<=n;i++){f[i]=1;  
  22.          for(j=1;j<=i-1;j++)  
  23.              if(f[j]+1>f[i] && a[j]<a[i])f[i]=f[j]+1;  
  24.         }  
  25.     max1=0;  
  26.     for(i=1;i<=n;i++)if(f[i]>max1)max1=f[i];  
  27.         cout<<max1;  
  28.    // cout<<f[n];  
  29.     return 0;  
  30. }  
  1. //O(nlogn)的代碼,詳情見鄙人博客的文章《單調隊列優化LIS》  
  2. #include <iostream>  
  3. using namespace std;  
  4. #include <cstdio>  
  5.   
  6. const int MaxN=100001;  
  7.   
  8. int n,i,top=0,x,stack[MaxN];  
  9.   
  10. int main(){  
  11.     cin>>n;  
  12.     stack[top]=-1;  
  13.     for(i=1;i<=n;i++){  
  14.         cin>>x;  
  15.         if(x>stack[top]){stack[++top]=x;}  
  16.         else  
  17.         {  
  18.             int low=0,high=top,mid;  
  19.             while(low<high){  
  20.                 mid=(low+high)>>1;  
  21.                 if(x>stack[mid])  
  22.                     low=mid+1;  
  23.                 else  
  24.                     high=mid-1;  
  25.             }  
  26.             stack[low]=x;  
  27.         }  
  28.     }  
  29.     cout<<top;  
  30.     return 0;  
  31. }  

                                    1.2.1 序列型動態規劃例題——《線段覆蓋2》(線段覆蓋三部曲第二部)
題目描述 Description

數軸上有n條線段,線段的兩端都是整數座標,座標範圍在0~1000000,每條線段有一個價值,請從n條線段中挑出若干條線段,使得這些線段兩兩不覆蓋(端點可以重合)且線段價值之和最大。

n<=1000

輸入描述 Input Description

第一行一個整數n,表示有多少條線段。

接下來n行每行三個整數, ai bi ci,分別代表第i條線段的左端點ai,右端點bi(保證左端點<右端點)和價值ci。

輸出描述 Output Description

輸出能夠獲得的最大價值

樣例輸入 Sample Input

3

1 2 1

2 3 2

1 3 4

樣例輸出 Sample Output

4

數據範圍及提示 Data Size & Hint

數據範圍

對於40%的數據,n10

對於100%的數據,n1000

0<=ai,bi<=1000000

0<=ci<=1000000

【分析】
   同樣,可以講線段映射到數軸上(按右端點排序)【算是一種離散化吧】然後進行DP
   (1)階段:線段的條數
   (2)狀態:f(i)表示前i條線段中任意選擇線段且必須選擇第i條線段的最大價值
   (3)決策:f(i)=max{f(j)+val(i)}
  到了這裏,題目已經解決了。
  1. #include <iostream>  
  2. #include <algorithm>  
  3. #include <cstring>  
  4. #include <cstdio>  
  5. #include <cstdlib>  
  6. #include <vector>  
  7. #include <queue>  
  8. #include <list>  
  9. #include <deque>  
  10. #include <string>  
  11. using namespace std;  
  12.   
  13. const int MaxN=1001;  
  14.   
  15. struct line{  
  16.     int L,R,val;  
  17.     friend bool operator< (line a,line b){return a.R<b.R;}//重載運算符來排序  
  18. }a[MaxN];  
  19.   
  20. int f[MaxN],n,i,j;  
  21. //f(i)表示前i條線段任意選擇且必選擇第i條線段能獲得的最大值   
  22. int main(){  
  23.   scanf("%d",&n);  
  24.   for(i=1;i<=n;i++)  
  25.     scanf("%d%d%d",&a[i].L,&a[i].R,&a[i].val);  
  26.   sort(a+1,a+n+1);  
  27.   for(i=1;i<=n;i++)f[i]=a[i].val;  
  28.   for(i=2;i<=n;i++){  
  29.     for(j=1;j<i;j++)  
  30.       if(a[j].R<=a[i].L && f[j]+a[i].val>f[i])f[i]=a[i].val+f[j];  
  31.     if(f[i]>f[0])f[0]=f[i];  
  32.   }  
  33.   cout<<f[0];  
  34.   return 0;  
  35. }  

 1.2.2 區間型動態規劃例題——《石子合併》
題目描述 Description

有n堆石子排成一列,每堆石子有一個重量w[i], 每次合並可以合併相鄰的兩堆石子,一次合併的代價爲兩堆石子的重量和w[i]+w[i+1]。問安排怎樣的合併順序,能夠使得總合並代價達到最小。

輸入描述 Input Description

第一行一個整數n(n<=100)

第二行n個整數w1,w2...wn  (wi <= 100)

輸出描述 Output Description

一個整數表示最小合併代價

樣例輸入 Sample Input

4

4 1 1 4

樣例輸出 Sample Output

18

【分析】
   (1)證明最優子結構略
   (2)階段:區間
   (3)狀態:f(i,j)表示[i,j]這個區間的最大值
   (4)決策:f[i][j]=min{f[i][j],f[i][k]+f[k+1][j]+sum[i][j]  
    
  1. #include <iostream>  
  2. using namespace std;  
  3. #include <cstdio>  
  4. const int MaxN=101;  
  5. int n,s[MaxN],f[MaxN][MaxN];  
  6. int i,j,k,r;  
  7. int main(){  
  8.     cin>>n;  
  9.     for(i=1;i<=n;i++){  
  10.         cin>>s[i];  
  11.         s[i]+=s[i-1];  
  12.     }  
  13.     for(r=2;r<=n;r++)  
  14.        for(i=1;i<=n-r+1;i++){  
  15.            j=i+r-1;  
  16.            f[i][j]=0x7fffffff;  
  17.            for(k=i;k<j;k++)  
  18.              f[i][j]=min(f[i][j],f[i][k]+f[k+1][j]+s[j]-s[i-1]);  
  19.        }  
  20.     cout<<f[1][n];  
  21.     return 0;  
  22. }  
 
1.2.2 區間型動態規劃例題——《能量項鍊》(NOIP2006提高組)
題目描述 Description

Mars星球上,每個Mars人都隨身佩帶着一串能量項鍊。在項鍊上有N顆能量珠。能量珠是一顆有頭標記與尾標記的珠子,這些標記對應着某個正整數。並且,對於相鄰的兩顆珠子,前一顆珠子的尾標記一定等於後一顆珠子的頭標記。因爲只有這樣,通過吸盤(吸盤是Mars人吸收能量的一種器官)的作用,這兩顆珠子才能聚合成一顆珠子,同時釋放出可以被吸盤吸收的能量。如果前一顆能量珠的頭標記爲m,尾標記爲r,後一顆能量珠的頭標記爲r,尾標記爲n,則聚合後釋放的能量爲m*r*n(Mars單位),新產生的珠子的頭標記爲m,尾標記爲n

需要時,Mars人就用吸盤夾住相鄰的兩顆珠子,通過聚合得到能量,直到項鍊上只剩下一顆珠子爲止。顯然,不同的聚合順序得到的總能量是不同的,請你設計一個聚合順序,使一串項鍊釋放出的總能量最大。

例如:設N=44顆珠子的頭標記與尾標記依次爲(23) (35) (510) (102)。我們用記號⊕表示兩顆珠子的聚合操作,(jk)表示第jk兩顆珠子聚合後所釋放的能量。則第41兩顆珠子聚合後釋放的能量爲:

(41)=10*2*3=60

這一串項鍊可以得到最優值的一個聚合順序所釋放的總能量爲

((41)2)3=10*2*3+10*3*5+10*5*10=710

輸入描述 Input Description

第一行是一個正整數N4N100),表示項鍊上珠子的個數。第二行是N個用空格隔開的正整數,所有的數均不超過1000。第i個數爲第i顆珠子的頭標記(1iN),當i<N< span>時,第i顆珠子的尾標記應該等於第i+1顆珠子的頭標記。第N顆珠子的尾標記應該等於第1顆珠子的頭標記。

至於珠子的順序,你可以這樣確定:將項鍊放到桌面上,不要出現交叉,隨意指定第一顆珠子,然後按順時針方向確定其他珠子的順序。

輸出描述 Output Description

只有一行,是一個正整數EE2.1*109),爲一個最優聚合順序所釋放的總能量。

樣例輸入 Sample Input

4

2 3 5 10

樣例輸出 Sample Output

710

【分析】
   對於環形的題目,我們往往採用的方法是拉兩倍,然後div 2 再找最小f[i][i+n-1]
  (1)階段:區間以及劃分
  (2)狀態:f(i,j,k)表示[i,j]這個區間的最大值
  (3)對於環形問題,最終的答案在n的範圍內尋找
            for(i=1;i<=n;i++)
                    MAX=max(MAX,f[i][i+n-1][m]);
    當然,這題同時涉足了兩個領域:區間&環形
  1. #include <iostream>  
  2. #include <algorithm>  
  3. #include <cstring>  
  4. #include <cstdio>  
  5. #include <cstdlib>  
  6. #include <vector>  
  7. #include <queue>  
  8. #include <list>  
  9. #include <deque>  
  10. #include <string>  
  11. using namespace std;  
  12.   
  13. const int MaxN=205;//n<=100,這裏拉兩倍  
  14.   
  15. int f[MaxN][MaxN];//f(i,j)表示[i,j]這段區間的最優值(將最後一個點放入前面)  
  16. int a[MaxN];  
  17. int n;  
  18.   
  19. int main(){  
  20.   int i,j,k,r;  
  21.   cin>>n;  
  22.   for(i=1;i<=n;i++)  
  23.   {  
  24.       cin>>a[i];  
  25.       a[i+n]=a[i];  
  26.   }  
  27.   for(j=2;j<(n<<1);j++)  
  28.     for(i=j-1;i>0 && j-i<n;i--)  
  29.       for(k=i;k<j;k++)  
  30.         f[i][j]=max(f[i][j],f[i][k]+f[k+1][j]+a[i]*a[k+1]*a[j+1]);  
  31.   int MAX=0;  
  32.   for(i=1;i<=n;i++)  
  33.     MAX=max(MAX,f[i][i+n-1]);  
  34.   cout<<MAX;   
  35.   return 0;  
  36. }  

                                      1.2.3 劃分型動態規劃例題——《乘積最大》(NOIP2000普及組)
題目描述 Description

今年是國際數學聯盟確定的“2000——世界數學年”,又恰逢我國著名數學家華羅庚先生誕辰90週年。在華羅庚先生的家鄉江蘇金壇,組織了一場別開生面的數學智力競賽的活動,你的一個好朋友XZ也有幸得以參加。活動中,主持人給所有參加活動的選手出了這樣一道題目:

設有一個長度爲N的數字串,要求選手使用K個乘號將它分成K+1個部分,找出一種分法,使得這K+1個部分的乘積能夠爲最大。

同時,爲了幫助選手能夠正確理解題意,主持人還舉了如下的一個例子:

有一個數字串:312, 當N=3,K=1時會有以下兩種分法:

1)  3*12=36

2)  31*2=62

   這時,符合題目要求的結果是:31*2=62

   現在,請你幫助你的好朋友XZ設計一個程序,求得正確的答案。

輸入描述 Input Description

   程序的輸入共有兩行:

   第一行共有2個自然數N,K(6≤N≤40,1≤K≤6)

   第二行是一個長度爲N的數字串。

輸出描述 Output Description

   結果顯示在屏幕上,相對於輸入,應輸出所求得的最大乘積(一個自然數)。

樣例輸入 Sample Input

4  2

1231

樣例輸出 Sample Output

62

【分析】
  對於劃分型動態規劃,往往考慮“定範圍,取特殊”
  (1)階段:劃分
  (2)狀態:f(i,j)表示前i段字符劃分爲j塊所能得到的最大乘積
  (3)決策:f[i][j]=max(f[i][j],f[k][j-1]*merge(k+1,i));
  1. #include <iostream>  
  2. #include <algorithm>  
  3. #include <cstring>  
  4. #include <cstdio>  
  5. #include <cstdlib>  
  6. #include <vector>  
  7. #include <queue>  
  8. #include <list>  
  9. #include <deque>  
  10. #include <string>  
  11. using namespace std;  
  12.   
  13. typedef long long big;  
  14.   
  15. string s;  
  16. int n,k;  
  17. big f[41][7];//f(i,j)表示s中前i個數插入j個乘號所能得到的最大值   
  18.   
  19. big merge(int l,int r){  
  20.     big num=0;  
  21.     for(;l<=r;l++)num=num*10+s[l]-'0';  
  22.     return num;  
  23. }  
  24.   
  25. int main(){  
  26.   cin>>n>>k;  
  27.   cin>>s;  
  28.   int i,j,ak;  
  29.   for(i=0;i<n;i++)f[i][0]=merge(0,i);  
  30.   for(i=1;i<n;i++)  
  31.     for(j=1;j<=k;j++)  
  32.       for(ak=0;ak<i;ak++)  
  33.         f[i][j]=max(f[i][j],f[ak][j-1]*merge(ak+1,i));  
  34.   cout<<f[n-1][k];  
  35.   return 0;  
  36. }  
 1.2.3 劃分型動態規劃例題——《數的劃分》(NOIP2001提高組)
題目描述 Description

將整數n分成k份,且每份不能爲空,任意兩種劃分方案不能相同(不考慮順序)。
例如:n=7,k=3,下面三種劃分方案被認爲是相同的。
1 1 5

1 5 1

5 1 1
問有多少種不同的分法。

輸入描述 Input Description

輸入:n,k (6<n<=200,2<=k<=6)

輸出描述 Output Description


輸出:一個整數,即不同的分法。

樣例輸入 Sample Input

 7 3

樣例輸出 Sample Output

4

數據範圍及提示 Data Size & Hint

 {四種分法爲:1,1,5;1,2,4;1,3,3;2,2,3;}

【分析】
  同樣,劃分型動態規劃:
   (1)階段:劃分
   (2)狀態:f(i,j)表示數字i被劃分爲j個數的和的方案數
   (3)決策:f[i][j]=f[i-j][j-1]+f[i-1][j-1]    (i>=j)
  
  1. #include <iostream>  
  2. #include <algorithm>  
  3. #include <cstring>  
  4. #include <cstdio>  
  5. #include <cstdlib>  
  6. #include <vector>  
  7. #include <queue>  
  8. #include <list>  
  9. #include <deque>  
  10. #include <string>  
  11. using namespace std;  
  12.   
  13. const int MaxN=210;  
  14. const int MaxM=7;  
  15.   
  16. int f[MaxN][MaxM];//f(i,j)表示數字i劃分爲j個數的和的方案數   
  17. int n,m;  
  18.   
  19. int main(){  
  20.   cin>>n>>m;  
  21.   int i,j;  
  22.   f[0][0]=1;  
  23.   for(i=1;i<=n;i++)  
  24.     for(j=1;j<=m;j++)  
  25.       if(i>=j)f[i][j]+=f[i-j][j]+f[i-1][j-1];  
  26.   cout<<f[n][m];  
  27.   return 0;  
  28. }  
                                    
                                       1.2.3 劃分型動態規劃例題——《數字遊戲》(NOIP2003普及組)
題目描述 Description

丁丁最近沉迷於一個數字遊戲之中。這個遊戲看似簡單,但丁丁在研究了許多天之後卻發覺原來在簡單的規則下想要贏得這個遊戲並不那麼容易。遊戲是這樣的,在你面前有一圈整數(一共n個),你要按順序將其分爲m個部分,各部分內的數字相加,相加所得的m個結果對10取模後再相乘,最終得到一個數k。遊戲的要求是使你所得的k最大或者最小。

例如,對於下面這圈數字(n=4m=2):

                                  2

                   4                           -1

                                 3

當要求最小值時,((2-1) mod 10)×((4+3) mod 10)=1×7=7,要求最大值時,爲((2+4+3) mod 10)×(-1 mod 10)=9×9=81。特別值得注意的是,無論是負數還是正數,對10取模的結果均爲非負值。

丁丁請你編寫程序幫他贏得這個遊戲。

輸入描述 Input Description

輸入文件第一行有兩個整數,n1≤n≤50)和m1≤m≤9)。以下n行每行有個整數,其絕對值不大於104,按順序給出圈中的數字,首尾相接。

輸出描述 Output Description

輸出文件有兩行,各包含一個非負整數。第一行是你程序得到的最小值,第二行是最大值。

樣例輸入 Sample Input

4 2

4

3

-1

2

樣例輸出 Sample Output

7

81

【分析】
   又是一道環形DP套劃分型DP套區間DP的題目....
  《拉兩倍!》
  (1)階段:劃分
  (2)狀態:f(i,j,k)表示將[i,j]這個區間劃分爲k塊所能得到的最大值
  (3)由於要求最大和最小,所以跑兩遍DP即可
  1. #include <iostream>  
  2. #include <algorithm>  
  3. #include <cstring>  
  4. #include <cstdio>  
  5. #include <cstdlib>  
  6. #include <vector>  
  7. #include <queue>  
  8. #include <list>  
  9. #include <deque>  
  10. #include <string>  
  11. using namespace std;  
  12.   
  13. const int MaxN=51;  
  14. const int MaxM=10;  
  15. const int oo=30001;  
  16.    
  17. int n,m,a[MaxN*2];//斷環爲鏈   
  18. int fmax[MaxN*2][MaxN*2][MaxM];//f(i,j,k)表示將環中i~j劃分k段對10求模後的最大乘積   
  19. int fmin[MaxN*2][MaxN*2][MaxM];  
  20. int p,sum[MaxN*2][MaxN*2];  
  21. int MAX=-oo,MIN=oo;  
  22.   
  23. int main(){  
  24.   cin>>n>>m;  
  25.   int i,j,k;  
  26.   for(i=1;i<=n;i++){  
  27.     cin>>a[i];  
  28.     a[n+i]=a[i];  
  29.   }  
  30.   n<<=1;  
  31.   for(i=1;i<=n;i++)  
  32.     for(j=i;j<=n;j++){  
  33.         p=0;  
  34.         for(k=i;k<=j;k++)  
  35.           p+=a[k];  
  36.         p=p%10;  
  37.         if(p<0)p+=10;  
  38.         sum[i][j]=p;  
  39.     }  
  40.   for(i=1;i<=n;i++)  
  41.     for(j=1;j<=n;j++)  
  42.       for(k=1;k<=m;k++)  
  43.       {  
  44.         fmax[i][j][k]=-oo;  
  45.         fmin[i][j][k]=oo;  
  46.       }  
  47.   for(i=1;i<=n;i++)  
  48.     for(j=i;j<=n;j++){  
  49.       fmax[i][j][1]=sum[i][j];  
  50.       fmin[i][j][1]=sum[i][j];  
  51.     }  
  52.   for(i=1;i<=n;i++)  
  53.     for(j=i;j<=n;j++)  
  54.       for(k=2;k<=m;k++)  
  55.         for(p=j-1;p>=i;p--)  
  56.           {  
  57.             fmin[i][j][k]=min(fmin[i][j][k],fmin[i][p][k-1]*sum[p+1][j]);  
  58.             fmax[i][j][k]=max(fmax[i][j][k],fmax[i][p][k-1]*sum[p+1][j]);  
  59.           }  
  60.   n>>=1;  
  61.   for(i=1;i<=n;i++)  
  62.   {  
  63.     MAX=max(MAX,fmax[i][i+n-1][m]);  
  64.     MIN=min(MIN,fmin[i][i+n-1][m]);   
  65.   }  
  66.   cout<<MIN<<endl<<MAX;  
  67.   return 0;  
  68. }  
  69.    

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