「学习笔记」斜率优化

本文详细介绍了HNOI2008玩具装箱TOY问题的O(n^2)动态规划解法,并通过前缀和与单调队列优化至更高效的时间复杂度。通过将转移方程转换为直线形式,利用斜率和截距的概念,实现了对凸包的维护,从而避免了不必要的状态转移。

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「HNOI 2008」玩具装箱TOY

首先O(n2)O(n^2)O(n2)做法是显然的,使用前缀和然后暴力枚举转移

dp[0] = 0;
for(int i = 1; i <= n; i ++) {
	dp[i] = 1LL << 62;
	for(int j = 0; j < i; j ++) {
		LL x = i - (j + 1) + s[i] - s[j];
		dp[i] = min(dp[i], dp[j] + (x - L) * (x - L));
	}
}

上面的dpdpdp转移方程为:(s[k]=∑i=1kc[i]s[k]=\sum_{i=1}^kc[i]s[k]=i=1kc[i] 为前缀和)

dp[i]=min(dp[j]+(i−j−L−1+s[i]−s[j])2)&ThickSpace;(0≤j&lt;i)dp[i]=min(dp[j]+(i - j - L - 1 + s[i] - s[j]) ^ 2) \; (0\leq j &lt; i)dp[i]=min(dp[j]+(ijL1+s[i]s[j])2)(0j<i)

ai=s[i]+i−L−1,bj=s[j]+ja_i=s[i]+i-L-1,b_j=s[j]+jai=s[i]+iL1,bj=s[j]+j,则:

dp[i]=min(dp[j]+(ai−bj)2)&ThickSpace;(0≤j&lt;i)dp[i]=min(dp[j]+(a_i - b_j) ^ 2) \; (0\leq j &lt; i)dp[i]=min(dp[j]+(aibj)2)(0j<i)

假设选jjj转移:dp[i]=dp[j]+(ai−bj)2dp[i]=dp[j]+(a_i - b_j) ^ 2dp[i]=dp[j]+(aibj)2

dp[i]=dp[j]+ai2+bj2−2aibjdp[i]=dp[j]+a_i^2 + b_j^2 -2a_ib_jdp[i]=dp[j]+ai2+bj22aibj

移项得:

2aibj+dp[i]−ai2=dp[j]+bj22a_ib_j+dp[i]-a_i^2 =dp[j]+ b_j^22aibj+dp[i]ai2=dp[j]+bj2

把这看成是kx+b=ykx+b=ykx+b=y的直线形式,则其斜率为2ai2a_i2aix=bjx=b_jx=bjy=dp[j]+bj2y=dp[j]+ b_j^2y=dp[j]+bj2,截距dp[i]−ai2dp[i]-a_i^2dp[i]ai2

也就是说假设我们用jjj转移,y=2aix+by=2a_ix+by=2aix+b这条直线经过点Pj(bj,dp[j]+bj2)P_j(b_j,dp[j]+ b_j^2)Pj(bj,dp[j]+bj2)时,它的截距+ai2+a_i^2+ai2就是dp[i]dp[i]dp[i]

这样我们每次选择一个最优的jjj转移就行了

显然是找一个斜率为2ai2a_i2ai、经过PjP_jPj,截距最小的jjj

根据图像,这些最优的jjj点是会构成一个下凸包的

然后每次找到第一个满足的位置就是最优答案(截距最小),如图

slope(P1,P2)slope(P_1,P_2)slope(P1,P2)表示经过P1,P2P1,P2P1,P2的直线斜率

可以发现最优解处就是找到凸包上的第一个满足slope(Pj,Pj+1)&gt;2aislope(P_j,P_{j+1})&gt;2a_islope(Pj,Pj+1)>2ai的点jjj

注意每次需要查找的ai=s[i]+i−L−1a_i=s[i]+i-L-1ai=s[i]+iL1是递增的,因为s[i]+is[i]+is[i]+i递增,−L−1-L-1L1是常量

因此可以使用单调队列维护凸包

考虑队首:根据单调性,若slope(Pj,Pj+1)&lt;2aislope(P_j,P_{j+1})&lt;2a_islope(Pj,Pj+1)<2aiPjP_jPj就可以以后都不再考虑,把它出队(pop_front)( \text{pop\_front})(pop_front)

这样就可以更新dp[i]dp[i]dp[i]了。

再考虑队末:把Pi(bi,dp[i]+bi2)P_i(b_i,dp[i]+ b_i^2)Pi(bi,dp[i]+bi2)加入凸包。如图所示,红线优于绿线,因此Pback−1P_{back-1}Pback1将改为连PiP_iPi

因此单调队列具体做法是:记末端222个点分别为Pback−1,PbackP_{back-1},P_{back}Pback1,Pback

slope(Pback−1,Pback)&gt;slope(Pback−1,Pi)slope(P_{back-1},P_{back})&gt;slope(P_{back-1},P_i)slope(Pback1,Pback)>slope(Pback1,Pi),从队尾弹出(pop_back)(\text{pop\_back})(pop_back)

直到只剩一个点或者不满足大于条件时插入。

#include <cstdio>

typedef long long LL;

const int N = 5e4 + 10; 

int n, L, c[N];
LL dp[N], s[N], a[N], b[N];

inline LL x(int i) { return b[i]; }
inline LL y(int i) { return dp[i] + b[i] * b[i]; }
inline double slope(int i, int j) { return (y(j) - y(i)) / (double) (x(j) - x(i)); }

int main() {
	scanf("%d%d", &n, &L);
	for(int i = 1; i <= n; i ++) {
		scanf("%d", &c[i]);
		s[i] = s[i - 1] + c[i];
		a[i] = (b[i] = s[i] + i) - L - 1;
	}
	static int q[N], hd = 0, bk = 0;
	q[bk ++] = 0; dp[0] = a[0] = b[0] = 0; //注意队列初始时应 push(j = 0)
	for(int i = 1; i <= n; i ++) {
		for(; hd + 1 < bk && slope(q[hd], q[hd + 1]) < 2.0 * a[i]; ++ hd) ;
		dp[i] = dp[q[hd]] + (a[i] - b[q[hd]]) * (a[i] - b[q[hd]]);
		for(; hd < bk - 1 && slope(q[bk - 2], q[bk - 1]) > slope(i, q[bk - 1]); -- bk) ;
		q[bk ++] = i;
	}
	printf("%lld\n", dp[n]);
	return 0;
}
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