状压DP 分裂

问题 E: 分裂
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题目描述
Description
背景: 和久必分,分久必和。。。 题目描述: 中国历史上上分分和和次数非常多。。通读中国历史的WJMZBMR表示毫无压力。 同时经常搞OI的他把这个变成了一个数学模型。 假设中国的国土总和是不变的。 每个国家都可以用他的国土面积代替, 又两种可能,一种是两个国家合并为1个,那么新国家的面积为两者之和。 一种是一个国家分裂为2个,那么2个新国家的面积之和为原国家的面积。 WJMZBMR现在知道了很遥远的过去中国的状态,又知道了中国现在的状态,想知道至少要几次操作(分裂和合并各算一次操作),能让中国从当时状态到达现在的状态。
Input
第一行一个数n1,表示当时的块数,接下来n1个数分别表示各块的面积。 第二行一个数n2,表示现在的块,接下来n2个数分别表示各块的面积。
Output
一行一个数表示最小次数。
Sample Input
1 6
3 1 2 3
Sample Output
2
数据范围:
对于100%的数据,n1,n2<=10,每个数<=50
对于30%的数据,n1,n2<=6,

网上好多“只可意会不可言传”,但我打算做一次非主流。
口胡开始:
最坏的答案是n+m-2。就是把所有的聚成一堆,再拆成m堆。那么如果把较少的子集合并成一堆后与结束状态的某些子集合并后值一样,那么就没必要再把它合并成一大块了,这样步数就减少了。
很容易想到状压。f[i][j]表示对于初始状态的子集i和结束状态的子集j,二者最多可产生多少堆。分别枚举i,j的子集,先直接转移,找到一种堆数最大的方案,如果i的值==j的值,那就一定可以再合并出一堆。
最后步数=n+m-2*f[totn][totm]
可能是我傻。。。枚举子集时强行加了一个2^n。。。其实只要枚举去掉一个元素的子集就行了,因为这个子集已从其他子集转移过了。所以就没必要把所有子集都枚举一遍了。

#include <cstdio>
int read()
{
    int sum=0,f=1;char x=getchar();
    while(x<'0'||x>'9'){if(x=='-')f=-1;x=getchar();}
    while(x>='0'&&x<='9'){sum=(sum<<3)+(sum<<1)+x-'0';x=getchar();}
    return sum*f;
}
int n,m,xp[25],f[1030][1030],sn[1030],sm[1030];
int main()
{
    xp[0]=1;for(int i=1;i<=11;i++)xp[i]=xp[i-1]<<1;
    n=read();for(int i=1;i<=n;i++)sn[xp[i-1]]=read();
    m=read();for(int i=1;i<=m;i++)sm[xp[i-1]]=read();
    for(int i=1;i<xp[n];i++)sn[i]=sn[i&-i]+sn[i^(i&-i)];
    for(int i=1;i<xp[m];i++)sm[i]=sm[i&-i]+sm[i^(i&-i)];
    for(int i=1;i<xp[n];i++)
        for(int j=1;j<xp[m];j++)
        {
            for(int k=0;k<n;k++)
                if((xp[k]&i)&&f[i^xp[k]][j]>f[i][j])f[i][j]=f[i^xp[k]][j];
            for(int k=0;k<m;k++)
                if((xp[k]&j)&&f[i][j^xp[k]]>f[i][j])f[i][j]=f[i][j^xp[k]];
            if(sn[i]==sm[j])f[i][j]++;
        }
    printf("%d\n",n+m-2*f[xp[n]-1][xp[m]-1]);
}
<think>我们首先需要理解用户的需求:用户希望了解缩动态规划(DP)的详细原理和应用。根据引用资料,我们可以总结出DP的核心思想、适用条件以及基本实现方法。 ### 缩动态规划(DP)详解 缩动态规划是一种通过将态信息缩(通常使用二进制)来表示动态规划态的方法,适用于态中每个元素只有两种可能(如存在/不存在、选中/未选中)且态规模较小(通常不超过32个元素)的问题。 #### 1. 适用条件 - **态单元简单**:每个态单元只有两种态(例如0/1)。 - **态规模小**:态单元的数量不能太大(通常不超过32,因为一个32位整数可以表示32个态单元)。 - **需要态**:如果不缩,态数量会非常大(例如$2^n$级别),导致无法存储。 #### 2. 基本原理 DP的核心在于用一个整数的二进制位来表示一个集合。例如,一个长度为$n$的二进制数,每一位(0或1)表示某个元素的态(如是否被选中)。这样,一个整数就代表了一个集合。 例如,有5个元素,用5位二进制数表示: - 二进制数`10101`(十进制21)表示第0、2、4个元素被选中(从右向左,最低位为第0位)。 - 这样,我们就可以用一个整数(如21)来代表一个集合。 #### 3. 位运算基础 DP中常用的位运算操作: - **左移(<<)**:`1 << i` 表示将1左移i位,得到第i位为1,其余为0的数。常用于构造某个态。 - **与(&)**:判断某一位是否为1,例如`state & (1<<i)`,如果结果非0,则第i位为1。 - **或(|)**:将某一位设为1,例如`state | (1<<i)`。 - **异或(^)**:将某一位取反,例如`state ^ (1<<i)`。 - **取反(~)**:将每一位取反,例如`~state`(注意整数位数,避免高位干扰)。 #### 4. DP的步骤 DP的解题步骤与普通DP类似,但态表示使用了缩的整数: 1. **定义态**:通常用$dp[i][state]$表示处理到第$i$个阶段(或位置)且当前态为$state$(一个缩的整数)时的最优解(或方案数)。 2. **态转移**:根据问题的规则,从之前的态转移到当前态。通常需要枚举所有可能的前一个态,检查是否满足转移条件。 3. **初始化**:确定初始态(如$dp[0][0]=0$)。 4. **结果提取**:根据最终态(如$dp[n][final\_state]$)得到答案。 #### 5. 经典问题举例:旅行商问题(TSP) 问题描述:有$n$个城市,旅行商从起点0出发,访问每个城市恰好一次后回到起点,求最短路径。 - **态表示**:$dp[state][i]$表示已经访问过的城市集合为$state$,当前位于城市$i$的最短路径长度。 - **态转移**:$dp[state][i] = \min\{ dp[state \setminus \{i\}][j] + dist[j][i] \}$,其中$j$是上一个访问的城市,且$j$在$state$中,$state \setminus \{i\}$表示从集合$state$中移除城市$i$(即态中第$i$位置0)。 - **缩**:$state$是一个$n$位的二进制数,第$k$位为1表示城市$k$已经访问过。 #### 6. 代码示例(TSP问题) ```python def tsp(dist): n = len(dist) # 态总数:2^n total_states = 1 << n # 初始化dp数组:dp[state][i]表示在态state下,当前在i城市的最短路径 dp = [[float('inf')] * n for _ in range(total_states)] # 起点:态1<<0表示只包含0号城市,当前在0城市,路径长度为0 dp[1][0] = 0 # 遍历所有态 for state in range(total_states): # 遍历当前态下的每个城市 for i in range(n): # 如果当前态中不包含i,跳过 if not (state & (1 << i)): continue # 尝试从其他城市j转移到i for j in range(n): # 如果态中包含j,且j不是i,则尝试转移 if i != j and (state & (1 << j)): # 从态state中移除i,得到前一个态prev_state prev_state = state ^ (1 << i) # 更新dp[state][i] dp[state][i] = min(dp[state][i], dp[prev_state][j] + dist[j][i]) # 最终态:所有城市都访问过(全1),并且回到起点0 res = float('inf') for i in range(1, n): # 最后一步从i回到0 res = min(res, dp[total_states-1][i] + dist[i][0]) return res ``` #### 7. 优化与技巧 - **滚动数组**:当态转移只依赖前一阶段时,可优化空间。 - **预处理合法态**:对于某些问题,可以先预处理出所有合法态(如不冲突的态),减少枚举量。 - **剪枝**:在态转移过程中,通过条件判断提前终止无效转移。 #### 8. 应用场景 DP常用于组合优化问题,如: - 旅行商问题(TSP) - 铺砖问题(用1x2砖块铺满网格) - 任务分配问题(每个任务分配给不同的人,每人只能做一个) - 棋盘覆盖问题(如炮兵布阵) ### 总结 缩动态规划通过将缩为整数,有效解决了态空间过大问题。其核心在于位运算的应用和态转移的设计。掌握DP需要熟悉位运算操作,并能够将问题态抽象为二进制表示。 §§相关问题§§ 1. DP中常用的位运算操作有哪些? 2. 如何判断一个态是否包含某个元素? 3. 旅行商问题(TSP)的态转移方程是什么? 4. DP适用于哪些类型的问题? 5. 在缩中,如何表示一个集合的并集、交集和差集?</think>### 缩动态规划(DP)详解 #### 一、核心概念 DP是一种将**集合缩为整数**的动态规划技术。它适用于态中的每个元素只有两种可能(如存在/不存在、选中/未选中),且态规模较小(通常不超过32个元素)的问题。核心思想是将一个集合映射为一个整数的二进制位: - **二进制表示**:用整数的二进制位表示集合元素态 例如:集合 $\{A,C\}$ 在3元素系统中可表示为二进制 `101`(十进制5) - **缩**:将多维缩为单整数 态 $dp[i][S]$ → $dp[S]$,其中 $S$ 是缩后的整数态 #### 二、适用条件(引用[3]) 1. **态单元二元化**:每个态单元仅需两种态(0/1) 2. **态规模小**:态单元数 $n \leq 32$(int存储上限) 3. **态可缩**:态数据能映射为二进制整数 4. **态依赖复杂**:多个元素态共同影响决策(引用[2]) #### 三、位运算基础(关键操作) | 操作 | 符号 | 示例(二进制) | 作用 | |---------------|------|----------------------------|--------------------------| | 判断元素存在 | `&` | `state & (1<<i)` | 检查第 $i$ 位是否为1 | | 添加元素 | `\|` | `state \| (1<<i)` | 将第 $i$ 位置1 | | 删除元素 | `&~` | `state & ~(1<<i)` | 将第 $i$ 位置0 | | 切换元素态 | `^` | `state ^ (1<<i)` | 翻转第 $i$ 位 | | 枚举子集 | `&` | `sub = (sub-1) & state` | 遍历态的所有子集 | #### 四、算法步骤(以经典问题为例) **问题:旅行商问题(TSP)** 求访问所有城市(每个城市仅一次)并返回起点的最短路径 1. **态定义** $dp[state][i]$:当前已访问城市集合为 $state$(缩整数),最后位于城市 $i$ 的最短路径 2. **态转移** $$ dp[state][i] = \min_{j \in state} \{ dp[state \setminus \{i\}][j] + dist[j][i] \} $$ 其中 $state \setminus \{i\}$ 用位运算实现:`state ^ (1<<i)` 3. **初始化** - 起点:$dp[1<<0][0] = 0$(从城市0出发) - 其他态初始化为无穷大 4. **结果提取** $$ \min_{i} \{ dp[full\_state][i] + dist[i][0] \} $$ $full\_state = (1<<n)-1$(所有城市已访问) #### 五、代码实现(TSP问题) ```python def tsp(dist): n = len(dist) total_states = 1 << n # 态总数 2^n dp = [[float('inf')] * n for _ in range(total_states)] # 初始化:从0号城市出发 dp[1 << 0][0] = 0 for state in range(total_states): for i in range(n): if not (state & (1 << i)): # 跳过未访问城市 continue for j in range(n): if state & (1 << j): # j必须在已访问集合中 prev_state = state ^ (1 << i) # 移除当前城市 dp[state][i] = min(dp[state][i], dp[prev_state][j] + dist[j][i]) # 返回最终结果(回到起点0) full_state = (1 << n) - 1 return min(dp[full_state][i] + dist[i][0] for i in range(n)) ``` #### 六、典型应用场景 1. **棋盘覆盖问题** - 如炮兵布阵(引用[4]):每个位置放/不放炮兵 → 二进制位表示 - 约束:同行炮兵间距≥2 → 位运算检查 `state & (state>>1)` 或 `state & (state>>2)` 2. **子集选择问题** - 如背包变种:选择物品组合满足特定条件 - 态:$dp[mask]$ 表示选中物品集合为 $mask$ 的最优解 3. **路径覆盖问题** - 如最小权路径覆盖:用二进制表示已覆盖节点 #### 七、优化技巧 1. **滚动数组**:空间优化(如 $dp[state]$ 只依赖 $dp[state']$) 2. **预处理合法态**:提前计算满足约束的态集合 3. **剪枝**:跳过无效态(如 `state` 中不包含必要元素时) #### 八、复杂度分析 - **时间复杂度**:$O(2^n \times n^2)$(TSP为例) - **空间复杂度**:$O(2^n \times n)$ 当 $n>20$ 时需谨慎使用(引用[3]) > DP通过将高维缩为整数,显著降低了态空间维度,是解决小规模组合优化问题的利器(引用[1][2])。其核心在于**用位运算实现集合操作**,将复杂的集合关系转化为整数运算。
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