区间dp算法刷题笔记【蓝桥杯】

理论

区间$dp$是一种动态规划算法，用于解决区间问题。它的基本思想是将问题分解成若干子问题，然后通过递推求解整个问题。
下面是一个经典的区间$dp$问题：
给定一个长度为$n$的序列$a$，求$a$的一个子区间$[l,r]$，使得区间和最大。
我们可以定义一个状态$f[i][j]$表示区间$[i,j]$的最大和，然后通过状态转移方程来求解最优解。
状态转移方程为：$f[i][j]=max(f[i+1][j],f[i][j-1])+a[i]+a[j]$
其中，$a[i]$表示序列a中第i个元素的值。这个方程的意义是，我们在区间$[i,j]$中选择一个端点，然后把这个端点前面或后面的区间作为子区间，使得区间和最大。
代码实现如下：

int n; // 序列的长度
int a[MAXN]; // 序列a
int f[MAXN][MAXN]; // 状态数组
int solve() {
    for (int len = 2; len <= n; len++) { // 枚举区间长度
        for (int i = 1; i + len - 1 <= n; i++) { // 枚举区间起点
            int j = i + len - 1; // 区间终点
            f[i][j] = max(f[i+1][j], f[i][j-1]) + a[i] + a[j];
        }
    }
    return f[1][n]; // 返回整个序列的最大子区间和
}

在上面的代码中，我们先枚举区间长度$len$，然后再枚举区间起点$i$，计算出区间$[i,j]$的最大和。最终，我们返回整个序列的最大子区间和$f[1][n]$。

练习

关路灯

某一村庄在一条路线上安装了 $n$ 盏路灯，每盏灯的功率有大有小（即同一段时间内消耗的电量有多有少）。老张就住在这条路中间某一路灯旁，他有一项工作就是每天早上天亮时一盏一盏地关掉这些路灯。

为了给村里节省电费，老张记录下了每盏路灯的位置和功率，他每次关灯时也都是尽快地去关，但是老张不知道怎样去关灯才能够最节省电。他每天都是在天亮时首先关掉自己所处位置的路灯，然后可以向左也可以向右去关灯。开始他以为先算一下左边路灯的总功率再算一下右边路灯的总功率，然后选择先关掉功率大的一边，再回过头来关掉另一边的路灯，而事实并非如此，因为在关的过程中适当地调头有可能会更省一些。

现在已知老张走的速度为 $1m/s$，每个路灯的位置（是一个整数，即距路线起点的距离，单位：$m$）、功率（$W$），老张关灯所用的时间很短而可以忽略不计。

请你为老张编一程序来安排关灯的顺序，使从老张开始关灯时刻算起所有灯消耗电最少（灯关掉后便不再消耗电了）。

输入格式

第一行是两个数字 $n$（表示路灯的总数）和 $c$（老张所处位置的路灯号）；

接下来 $n$ 行，每行两个数据，表示第 $1$ 盏到第 $n$ 盏路灯的位置和功率。数据保证路灯位置单调递增。

输出格式

一个数据，即最少的功耗（单位：$J$，$1J=1W\times s$）。

样例输入 #1

5 3
2 10
3 20
5 20
6 30
8 10

样例输出 #1

270

提示

样例解释

此时关灯顺序为 3 4 2 1 5。

数据范围

$1\le n\le 50$，$1\le c\le n$。

思路

• 比较典型的区间dp问题
• 观察发现关灯的顺序是从中心向两边扩展的区间，设$[0/1]$表示把$[i,j]$区间内灯关掉，结束时人在最左/最右时的最少耗电，有转移方程：
  $f[i][j][0]=min(f[i+1][j][0]+d(i,i+1)\ast P,f[i+1][j][1]+d(i,j)\ast P)$
  $f[i][j][1]=min(f[i][j-1][0]+d(i,j)\ast P,f[i][j-1][1]+d(j-1,j)\ast P)$
• $d$为距离，$P$可以用前缀和第一个式子，因为i+1在数轴上在i的右边，所以是i是由i+1转移而来

题解

#include 
using namespace std;
typedef long long ll;
const int N = 55;
const ll INF = 0x3f3f3f3f3f3f3f3fll;
ll f[N][N][2];
int P[N], L[N], n, c, pre[N];
int main(){
	scanf("%d%d", &n, &c);
	for(int i = 1; i <= n; ++i){
		scanf("%d%d", L+i, P+i);
		pre[i] = pre[i-1] + P[i];
	}
	for(int l = 1; l <= n; ++l){
		for(int i = 1, j; (j = i + l - 1) <= n; ++i){
			if(i <= c && c <= j){
				f[i][j][0] =
					min(
						f[i+1][j][0] + (L[i+1] - L[i]) * (pre[n] - pre[j] + pre[i]), 
						f[i+1][j][1] + (L[j] - L[i]) * (pre[n] - pre[j] + pre[i])
					);
				f[i][j][1] =min(f[i][j-1][0] + (L[j] - L[i]) * (pre[n] - pre[j-1] + pre[i-1]), f[i][j-1][1] + (L[j] - L[j-1]) * (pre[n] - pre[j-1] + pre[i-1]));
			}else f[i][j][0] = f[i][j][1] = INF;
		}
	}
	printf("%lld\n", min(f[1][n][0], f[1][n][1]));
}

[CQOI2007]涂色

假设你有一条长度为 $5$ 的木板，初始时没有涂过任何颜色。你希望把它的 $5$ 个单位长度分别涂上红、绿、蓝、绿、红色，用一个长度为 $5$ 的字符串表示这个目标：$\text{RGBGR}$。

每次你可以把一段连续的木板涂成一个给定的颜色，后涂的颜色覆盖先涂的颜色。例如第一次把木板涂成 $\text{RRRRR}$，第二次涂成 $\text{RGGGR}$，第三次涂成 $\text{RGBGR}$，达到目标。

用尽量少的涂色次数达到目标。

输入格式

输入仅一行，包含一个长度为 $n$ 的字符串，即涂色目标。字符串中的每个字符都是一个大写字母，不同的字母代表不同颜色，相同的字母代表相同颜色。

输出格式

仅一行，包含一个数，即最少的涂色次数。

样例输入 #1

AAAAA

样例输出 #1

1

样例输入 #2

RGBGR

样例输出 #2

3

提示

$40\%$ 的数据满足 $1\le n\le 10$。

$100\%$ 的数据满足 $1\le n\le 50$。

思路

• 状态：$f[i][j]$表示区间$[i,j]$的最少操作次数
• 状态转移方程：
  • 如果区间左右端点目标颜色相同，则可以免费涂最左或最右的一块：$f[i][j]=min(f[i+1][j],f[i][j+1])$
  • 否则，从中间分成两个区间转移：$f[i][j]=min(f[i][k],f[k+1][j])$

题解

#include
using namespace std;
char s[55];
int f[55][55];
int main(){
    scanf("%s",s);
    int n=strlen(s);
    memset(f,0x3f,sizeof(f));
    for(int i=0;i<n;++i) f[i][i]=1;
    for(int l=2;l<=n;++l){
        for(int i=0,j;(j=i+l-1)<n;++i){
            if(s[i]==s[j]) f[i][j]=min(f[i][j],min(f[i+1][j],f[i][j-1]));
            else{
                for(int k=i;k<j;++k)f[i][j]=min(f[i][j],f[i][k]+f[k+1][j]); 
            }
        }
    }
    printf("%d",f[0][n-1]);
}

[HNOI2010]合唱队

为了在即将到来的晚会上有更好的演出效果，作为 AAA 合唱队负责人的小 A 需要将合唱队的人根据他们的身高排出一个队形。假定合唱队一共 $n$ 个人，第 $i$ 个人的身高为 $h_i$ 米（$1000\le h_i\le 2000$），并已知任何两个人的身高都不同。假定最终排出的队形是 $A$ 个人站成一排，为了简化问题，小 A 想出了如下排队的方式：他让所有的人先按任意顺序站成一个初始队形，然后从左到右按以下原则依次将每个人插入最终棑排出的队形中：

• 第一个人直接插入空的当前队形中。

• 对从第二个人开始的每个人，如果他比前面那个人高（$h$ 较大），那么将他插入当前队形的最右边。如果他比前面那个人矮（$h$ 较小），那么将他插入当前队形的最左边。

当 $n$ 个人全部插入当前队形后便获得最终排出的队形。

例如，有 $6$ 个人站成一个初始队形，身高依次为 $1850,1900,1700,1650,1800,1750$，
那么小 A 会按以下步骤获得最终排出的队形：

• $1850$。

• $1850,1900$，因为 $1900>1850$。

• $1700,1850,1900$，因为 $1700<1900$。

• $1650,1700,1850,1900$，因为 $1650<1700$。

• $1650,1700,1850,1900,1800$，因为 $1800>1650$。

• $1750,1650,1700,1850,1900,1800$，因为 $1750<1800$。

因此，最终排出的队形是 $1750,1650,1700,1850,1900,1800$。

小 A 心中有一个理想队形，他想知道多少种初始队形可以获得理想的队形。

请求出答案对 $19650827$ 取模的值。

输入格式

第一行一个整数 $n$。
第二行 $n$ 个整数，表示小 A 心中的理想队形。

输出格式

输出一行一个整数，表示答案 $\mathrm{mod}19650827$ 的值。

样例输入 #1

4
1701 1702 1703 1704

样例输出 #1

8

提示

对于 $30\%$ 的数据，$n\le 100$。
对于 $100\%$ 的数据，$n\le 1000$，$1000\le h_i\le 2000$。

思路

• 状态：$f[i][j][0/1]$为目标队形中$[i,j]$区间的方案数，且最后一个人在最左/右；状态转移：
  • $f[i][j][0]$=$f[i+1][j][0]\ast [h_i<h_{i+1}]+f[i+1][j][1]\ast [h_i<h_j]$
  • $f[i][j][1]=f[i][j-1][0]\ast [h_j>h_i]+f[i+1][j][1]\ast [h_j>h_{j-1}]$

题解

#include 
using namespace std;
int f[2010][2010][2],a[2010];
int main(){
	int n;
	cin>>n;
	for(int i=1;i<=n;i++)cin>>a[i];
	for(int i=1;i<=n;i++)f[i][i][0]=1;
	for(int len=1;len<=n;len++)
		for(int i=1,j=i+len;j<=n;i++,j++){
			if(a[i]<a[i+1])f[i][j][0]+=f[i+1][j][0];
			if(a[i]<a[j])f[i][j][0]+=f[i+1][j][1];
			if(a[j]>a[i])f[i][j][1]+=f[i][j-1][0];
			if(a[j]>a[j-1])f[i][j][1]+=f[i][j-1][1];
			f[i][j][0]%=19650827;
			f[i][j][1]%=19650827;
		}
	cout<<(f[1][n][0]+f[1][n][1])%19650827;
}

总结

当我们需要求解一个序列中某个子区间的最优解时，可以考虑使用区间dp算法。具体来说，我们需要思考以下几个问题：

1. 状态设计：需要定义一个状态表示子区间的最优解。状态的设计通常与问题的性质密切相关，可以根据实际情况选择不同的状态表示方式。
2. 状态转移方程：需要设计一个状态转移方程，根据已知状态推导出未知状态。状态转移方程通常是一个递推式，可以根据问题的性质和状态的定义来确定。
3. 边界条件：需要确定最小的子问题的最优解，即边界条件。边界条件通常是一个或多个初始状态，可以根据实际情况选择不同的初始状态。
4. 时间复杂度：需要考虑算法的时间复杂度，尽可能地优化算法实现，避免不必要的计算量和空间占用。往往时间复杂度都在$O(n^2)$，所以数据量如果过大则不宜适用这个算法

设计区间dp算法的关键在于状态设计和状态转移方程的确定。在实际操作中，可以先尝试暴力枚举所有子区间，然后根据已知的子区间最优解推导出更大的子区间最优解，最终得到整个序列的最优解。如果时间复杂度过高，则需要考虑优化算法实现，例如使用记忆化搜索等方法来避免重复计算。