bzoj4518征途 斜率优化

本文深入探讨了经典斜率优化DP问题“征途”,解析了如何通过数学推导简化复杂公式,并利用斜率优化技巧将算法的时间复杂度从O(nm)降低至更高效的级别。文章详细介绍了DP状态定义、转移方程的建立,以及斜率优化的具体实现过程。

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征途这是一道十分经典的斜率优化

我们可以从题目中的方差来想,也就很容易的到这个式子

ans=m2mi=1(xix¯¯¯)2mans=m2∗∑i=1m(xi−x¯)2m

化简就会得到

ans=mi=1m(xix¯¯¯)2ans=m∗∑i=1m(xi−x¯)2

再化简得

ans=mi=1mxi2+i=1mxians=m∗∑i=1mxi2+∑i=1mxi

经过观察,我们可以很容易发现mi=1xi∑i=1mxi是定值,同时mmi=1xi2m∗∑i=1mxi2中的mm也是定值,所以我们的目标就是让i=1mxi2最小
我们令dp[i][j]=min{dp[i1][jk]+(sum[j]sum[jk])2}dp[i][j]=min{dp[i−1][j−k]+(sum[j]−sum[j−k])2}

其中我们令sum[i]=ik=1valksum[i]=∑k=1ivalk

其中valkvalk是第k段路的长度

由此我们就可得到一个开o2可以卡成80的代码

#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<cctype>

using namespace std;

long long n,m,dp[3001][3001],sum[3001];

    const int BufferSize=100*1000;
    char buffer[BufferSize],*head,*tail;
    bool not_EOF=true;
    inline char Getchar(){
        if(not_EOF and head==tail){
            int len=fread(buffer,1,BufferSize,stdin);
            not_EOF=len!=0;
            head=buffer,tail=head+len;
        }
        return not_EOF?*head++:-1;
    }
    inline long long rd(){
        long long x=0,s=1;
        char c=Getchar();
        for(;!isdigit(c) and not_EOF;c=Getchar()) if(c=='-') s=-1;
        for(; isdigit(c) and not_EOF;c=Getchar()) x=(x<<1)+(x<<3)+(c^48);
        return s*x;
    }
    inline void scan(char *str){
        char c=Getchar();
        for(; isspace(c) and not_EOF;c=Getchar());
        for(;!isspace(c) and not_EOF;c=Getchar()) *(str++)=c;
        *str=0;
}

int main(){
    memset(dp,0x7f,sizeof(dp));
    n=rd(),m=rd();
    for(int i=1;i<=n;i++){
        long long x=rd();
        sum[i]=sum[i-1]+x;
    }
    dp[0][0]=-sum[n]*sum[n];
    for(int i=0;i<m;i++){
        for(int j=0;j<=n;j++){
            for(int k=0;k<=n-j;k++){
                dp[i+1][j+k]=min(dp[i+1][j+k],dp[i][j]+(sum[j+k]-sum[j])*(sum[j+k]-sum[j])*m);
            }
        }
    }
    printf("%lld",dp[m][n]);
    return 0;
}

但是我们可以发现这个代码是O(nm)O(nm)的,显然我是不可以接受的。其实我们可以很容易证明这个的决策单调性,于是我们就可以用斜率优化

我们令y<x<iy<x<i
因为决策单调性,所以对于决策ii时,k转移必定比j转移要优,我们就可以得到这么一个式子

dp[i1][x]+(sum[j]sum[x])2<dp[i1][y]+(sum[j]sum[y])2

化简得

(dp[i1][x]+sum[x]2)(dp[i1][y]+sum[y]2)sum[x]sum[y]<2sum[j](dp[i−1][x]+sum[x]2)−(dp[i−1][y]+sum[y]2)sum[x]−sum[y]<2∗sum[j]

这样我们就可以用斜率优化了

我们把p1(dp[i1][x]+sum[x]2,sum[x])p1(dp[i−1][x]+sum[x]2,sum[x])p2(dp[i1][y]+sum[y]2,sum[y])p2(dp[i−1][y]+sum[y]2,sum[y])看做p1,p2p1,p2两个点,刚刚那个式子也就是它们所连线的斜率表达式

我们也就可以得到这样的代码

#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<cstring>

using namespace std;

long long n,m,dp[3001][3001],sum[3001];
int q[3001];

double getpoint(int i,int p){return (double)dp[i][p]+sum[i]*sum[i];}
double slope(int j,int k,int p){return (double)(getpoint(j,p)-getpoint(k,p))/(double)(sum[j]-sum[k]);}

int main(){
    scanf("%lld%lld",&n,&m);
    for(int i=1;i<=n;i++){
        long long x;
        scanf("%lld",&x);
        sum[i]=sum[i-1]+x;
        dp[i][1]=sum[i]*sum[i];
    }
    for(int k=2;k<=m;k++){
        int head=1,tail=0;
        for(int i=1;i<=n;i++){ 
            while(head<tail and slope(q[head],q[head+1],k-1)<2*sum[i])head++;
            int j=q[head];
            dp[i][k]=dp[j][k-1]+(sum[j]-sum[i])*(sum[j]-sum[i]); 
            while(head<tail and slope(q[tail],q[tail-1],k-1)>slope(q[tail],i,k-1))tail--;
            q[++tail]=i;
        }
    }
    printf("%lld",m*dp[n][m]-sum[n]*sum[n]);
    return 0;
}
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