PAT 1007 Maximum Subsequence Sum

本文探讨了PAT(Advanced Level)考试中一道经典题目“连续最大子序列和”的解决方案,利用动态规划方法高效求解,避免了高时间复杂度的传统解法。

PAT (Advanced Level) Practice 1007 Maximum Subsequence Sum (25 分)

连续最大子序列和 动态规划


题目分析

Given a sequence of K integers { N1​, N2​, …, NK​ }. A continuous subsequence is defined to be { Ni​, Ni+1​, …, Nj​ } where 1≤i≤j≤K. The Maximum Subsequence is the continuous subsequence which has the largest sum of its elements. For example, given sequence { -2, 11, -4, 13, -5, -2 }, its maximum subsequence is { 11, -4, 13 } with the largest sum being 20.
Input Specification:
Each input file contains one test case. Each case occupies two lines. The first line contains a positive integer K (≤10000). The second line contains K numbers, separated by a space.

Output Specification:
For each test case, output in one line the largest sum, together with the first and the last numbers of the maximum subsequence. The numbers must be separated by one space, but there must be no extra space at the end of a line. In case that the maximum subsequence is not unique, output the one with the smallest indices i and j (as shown by the sample case). If all the K numbers are negative, then its maximum sum is defined to be 0, and you are supposed to output the first and the last numbers of the whole sequence.
Sample Input:

10
-10 1 2 3 4 -5 -23 3 7 -21

Sample Output:

10 1 4


算法分析:

依据动态规划的思想找到子问题的最优解,从而找到全局的最优解:

这个问题如果暴力来做,枚举左端点和右端点(即枚举 i , j)需要 O(n的平方)复杂度,而计算 A [i] +A[1]+…+ A [n]需要 O(n)的复杂度,因此总复杂度为 O(n^3)。
下面介绍动态规划的做法,复杂度为O(n),会发现其实左端点的枚举是没有必要的步骤1:令状态 dp [ i ]表示以 A[i]作为末尾的连续序列的最大和(这里是说 A[i]必须作发连续序列的末尾)以样例为例:序列﹣2 11 -4 13 -5 -2,下标分别记为0,1,2,3.4,5,那么

dp [0]=-2,
dp [1]=11,
dp [2]=7(11+(4)=7),
dp [3]=20(11+(-4)+13=20),
dp [4]=15(因为由 dp 数组的含义, A [4]=-5必须作为连续序列的结尾,于是最大和就是11+(4)+13+(-5)=15,而不是20),
dp [5]=13(11+(-4)+13+(-5)+(-2)=13)。

通过设置这么一个 dp 数组,要求的最大和其实就是 dp [0], dp [1],…, dp [ n -1]中的最大值(因为到底以哪个元素结尾未知),下面想办法求解dp数组。
步骤2:作如下考虑:因为 dp [i]要求是必须以 A [i]结尾的连续序列,那么只有两种情况:

①这个最大和的连续序列只有一个元素,即以 A [i]开始,以 A [i]结尾。
②这个最大和的连续序列有多个元素,即从前面某处 A[p]开始( p<i ),一直到 A [i]结尾。对第一种情况,最大和就是A[i]本身。

对第二种情况,最大和是 dp [i -1]+A[i],即 A [p]+…+ A [i -1]+ A[i]= dp[i -1]+A[i]。由于只有这两种情况,于是得到状态转移方程:
dp[i]=max{A[i],dp[i-1]+A[i]}
这个式子只和 i 与之前的元素有关,且边界为 dp [0]= A[0] ;由此从小到大枚举 i ,即可得到整个 dp 数组。接着输出 dp [0], dp [i],…, dp [n-1]中的最大值即为最大连续子序列的和。


源代码

#include<iostream>
#include<algorithm>
using namespace std;
const int maxn = 10000;
int n, A[maxn], dp[maxn], len[maxn];
int main() {
	scanf_s("%d", &n);
	bool AllNegative = true;
	for (int i = 0; i < n; i++) {
		int num;
		scanf_s("%d", &num);
		A[i] = num;
		if (num >= 0) {
			AllNegative = false;
		}
	}
	if (AllNegative) {
		printf("%d %d %d", 0, A[0], A[n - 1]);
		return 0;
	}

	dp[0] = A[0];
	len[0] = 1;
	for (int i = 1; i < n; i++) {
		if (A[i] > dp[i - 1] + A[i]) {
			dp[i] = A[i];
			len[i] = 1;
		}
		else {
			dp[i] = dp[i - 1] + A[i];
			len[i] = len[i - 1] + 1;
		}
	}
	int length = 0, k = 0, end = 0;
	for (int i = 0; i < n; i++) {
		if (dp[i] > k) {
			k = dp[i];
			length = len[i];
			end = i;
		}
	}
	if (k == 0) {
		printf("%d %d %d", 0, 0, 0);
	}
	else {
		printf("%d %d %d", k, A[end - length + 1], A[end]);
	}
	return 0;
}
### 最大子序列和问题的解决方法 最大子序列和问题是经典的算法问题之一,目标是从给定数组中找到一个连续子序列,使得该子序列中的元素之和达到最大值。以下是基于动态规划的思想实现的一个高效解决方案。 #### 动态规划法 通过维护两个变量 `current_sum` 和 `max_sum` 来记录当前子序列的最大和以及全局范围内的最大和。遍历整个数组一次即可完成计算: ```python def max_subsequence_sum(nums): current_sum = 0 max_sum = float('-inf') # 初始化为负无穷大 for num in nums: current_sum = max(num, current_sum + num) # 更新当前子序列和 max_sum = max(max_sum, current_sum) # 更新全局最大和 return max_sum ``` 上述代码的时间复杂度为 \(O(n)\),其中 \(n\) 是输入列表的长度[^1]。 #### 示例运行 假设我们有如下输入数据: ```python nums = [-2, 1, -3, 4, -1, 2, 1, -5, 4] result = max_subsequence_sum(nums) print(result) # 输出应为6 (子序列为 [4,-1,2,1]) ``` 此方法的核心在于每次迭代都决定是否将当前数加入到现有子序列或者重新开始一个新的子序列。 #### 非连续子序列的情况 如果允许选取非连续的子序列,则可以采用贪心策略来解决问题。对于这个问题的具体实现方式已经在 JavaScript 的例子中有体现。然而,在 Python 中可以通过简单的排序加累加操作快速得到结果: ```python def non_contiguous_max_subsequence_sum(nums): positive_nums = sorted([num for num in nums if num > 0], reverse=True) total = sum(positive_nums) return total if total != 0 else max(nums) # 测试用例 nums = [7, 2, -8, 4, 10, -2] result = non_contiguous_max_subsequence_sum(nums) print(result) # 应输出23 ``` 这里需要注意的是当所有数值均为负数时需单独处理以确保返回最大的单个元素作为结果。 ### 结论 无论是针对连续还是非连续情况下的最大子序列求和问题都可以借助不同的优化手段有效解决。前者依赖于线性的扫描过程而后者则可能涉及更复杂的逻辑判断或额外的数据结构支持。
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