【区间 DP】运用区间 DP 解决古老原题

题目描述

这是 LeetCode 上的 「664. 奇怪的打印机」 ,难度为 「困难」

Tag : 「区间 DP」

有台奇怪的打印机有以下两个特殊要求:

  • 打印机每次只能打印由 同一个字符 组成的序列。
  • 每次可以在任意起始和结束位置打印新字符,并且会覆盖掉原来已有的字符。

给你一个字符串 s ,你的任务是计算这个打印机打印它需要的最少打印次数。

示例 1:

输入:s = "aaabbb"

输出:2

解释:首先打印 "aaa" 然后打印 "bbb"

示例 2:

输入:s = "aba"

输出:2

解释:首先打印 "aaa" 然后在第二个位置打印 "b" 覆盖掉原来的字符 'a'

提示:

  • s 由小写英文字母组成

基本分析

首先,根据题意我们可以分析出一个重要推论:连续相同的一段字符,必然可以归到同一次打印中,而不会让打印次数变多。注意,这里说的是「归到一次」,而不是说「单独作为一次」

怎么理解这句话呢?

举个 ,对于诸如 ...bbaaabb... 的样例数据,其中多个连续的 a 必然可以归到同一次打印中,但这一次打印可能只是将 aaa 作为整体进行打印;也有可能是 aaa 与前面或者后面的 a 作为整体被打印(然后中间的 b 被后来的打印所覆盖)。但无论是何种情况连续一段的 aaa 必然是可以「归到同一次打印」中。

我们可以不失一般性证明「连续相同的一段字符,必然可以归到同一次打印中,而不会让打印次数变多」这个推理是否正确:

假设有目标序列 其中 连续一段字符相同,假如这一段的打印被最后完成(注意最后完成不代表这一段要保留空白,这一段可以此前被打印多次),除了这一段以外所消耗的打印次数为 ,那么根据 不同的打印方案有:

  1. 单纯划分为多段:总共打印的次数大于 (此方案不会取到打印最小值 ,可忽略)
  2. 归到同一次打印:总共打印的次数等于
  3. 结合之前的打印划分为多段,即 一段的两段本身就是「目标字符」,我们本次只需要打印 中间的部分。总共打印的次数等于

由于同样的地方可以被重复打印,因此我们可以将情况 中打印边缘扩展到 处,这样最终打印结果不变,而且总的打印次数没有增加。

到这一步,我们其实已经证明出「连续相同的一段字符,必然可以归到同一次打印中,而不会让打印次数变多」的推论成立了。

但可能会有同学提出疑问:怎么保证 是被最后涂的?怎么保证 不是和其他「不相邻的同样字符」一起打印的?

答案是不用保证,因为不同状态(打印结果)之间相互独立,而有明确的最小转移成本。即从当前打印结果 a 变成打印结果 b,是具有明确的最小打印次数的(否则本题无解)。因此我们上述的分析可以看做任意两个中间状态转移的“最后一步”,而且不会整体的结果。

对应到本题,题目给定的起始状态是空白字符串 a,目标状态是入参字符串 s。那么真实最优解中,从 a 状态到 s 状态中间可能会经过任意个中间状态,假设有两个中间状态 pq,那么我们上述的分析就可以应用到中间状态 pq 的转移中,可以令得 pq 转移所花费的转移成本最低(最优),同时这个转移不会影响「ap 的转移」和「qs 的转移」,是相互独立的。

因此这个分析可以推广到真实最优转移路径中的任意一步,是一个具有一般性的结论。

上述分析是第一个切入点,第二个切入点是「重复打印会进行覆盖」,这意味着我们其实不需要确保 这一段在目标字符串中完全相同,而只需要 相同即可,即后续打印不会从边缘上覆盖 区间的原有打印,否则 这一段的打印就能用范围更小的区间所代替。

这样就引导出我们状态转移的关键:状态转移之间只需要确保首位字符相同。

动态规划

定义 为将 这一段打印成目标结果所消耗的最小打印次数。

不失一般性考虑 该如何转移:

  • 只染 这个位置,此时
  • 不只染 这个位置,而是从 染到 (需要确保首位相同 ):

其中状态转移方程中的情况 需要说明一下:由于我们只确保 ,并不确保 之间的字符相同,根据我们基本分析可知, 这个点可由打印 的时候一同打印,因此本身 并不独立消耗打印次数,所以这时候 这一段的最小打印次数应该取 ,而不是

最终的 为上述所有方案中取

代码:

class Solution {
    public int strangePrinter(String s) {
        int n = s.length();
        int[][] f = new int[n + 1][n + 1];
        for (int len = 1; len <= n; len++) {
            for (int l = 0; l + len - 1 < n; l++) {
                int r = l + len - 1;
                f[l][r] = f[l + 1][r] + 1;
                for (int k = l + 1; k <= r; k++) {
                    if (s.charAt(l) == s.charAt(k)) {
                        f[l][r] = Math.min(f[l][r], f[l][k - 1] + f[k + 1][r]);
                    }
                }
            }
        }
        return f[0][n - 1];
    }
}
  • 时间复杂度:
  • 空间复杂度:

总结

这道题的原型应该出自 String painter : http://acm.hdu.edu.cn/showproblem.php?pid=2476。

如果只是为了把题做出来,难度不算特别大,根据数据范围 ,可以猜到是 做法,通常就是区间 DP 的「枚举长度 + 枚举左端点 + 枚举分割点」的三重循环。

但是要搞懂为啥可以这样做,还是挺难,大家感兴趣的话可以好好想想 ~

最后

这是我们「刷穿 LeetCode」系列文章的第 No.664 篇,系列开始于 2021/01/01,截止于起始日 LeetCode 上共有 1916 道题目,部分是有锁题,我们将先把所有不带锁的题目刷完。

在这个系列文章里面,除了讲解解题思路以外,还会尽可能给出最为简洁的代码。如果涉及通解还会相应的代码模板。

为了方便各位同学能够电脑上进行调试和提交代码,我建立了相关的仓库:https://github.com/SharingSource/LogicStack-LeetCode 。

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