寻找最长回文子串 Longest Palindrome DP解法

最长回文子串算法
本文介绍了一种利用动态规划求解最长回文子串的方法。通过定义状态量并给出状态转移方程,实现了对任意长度子串是否为回文的判断。最终找到并返回原字符串中最长的回文子串。
Longest Palindrome
回文基础:
如果子串P是回文,那么xPx是回文。
如果子串P不是回文,那么xPx不是回文。


根据回文基础,我们可以得到动态规划的状态转移函数


设置状态量LP[i][j]来表示任意某个子串a[i]...a[j]是否是回文。
那么,
1. 初始条件:

空串 看作是回文的最初始条件,LP[i][i-1]=1。这作为初始状态,并不认为是有回文。

单字符串 是直接认为有回文的,LP[i][i]=1。 

2. 状态转移:

若LP[i][j]=1且a[i-1]==a[j+1] ,那么有LP[i-1][j+1]=1,否则LP[i-1][j+1]=0


将这一思路写出代码:

	//检测所有长度的子串
	for(m=1;m<=len;m++) //m代表当前子串长度,相当于gap
		for(i=1;i<len-m+1;i++)	//i是当前子串起始
		{
			j = i+m-1;	//j是当前子串末尾
			//设置left和right保存当前最长回文,其起初可设置为不可能的情况。
			//注意这里单字符串要认为是有回文。
			if((i==j)||(LP[i+1][j-1]==1 && a[i]==a[j]))
			{
				LP[i][j] = 1;
				if(m > right-left+1)
				{
					left = i;
					right = j;
				}
			}
			else
				LP[i][j] = 0;
		}

代码:

特别要注意边界问题。

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>
#include <string.h>
#define N 100

char* LongestPalindrome(char* a)
{
	int left=2, right=0;
	int i,j,m;
	int LP[N][N];
	int len = strlen(a);
	if(a==NULL || len==0)
		return NULL;
	if(len==1)
		return a;
	
	//初始化状态
	for(i=1;i<len;i++)
		LP[i][i-1] = 1; //将这种临界的不可能状态设为1

	//检测所有长度的子串
	for(m=1;m<=len;m++) //m代表当前子串长度
		for(i=0;i<len-m+1;i++)	//i是当前子串起始
		{
			j = i+m-1;	//j是当前子串末尾
			if((i==j)||(LP[i+1][j-1]==1 && a[i]==a[j]))//注意这里单字符串要认为是回文
			{
				LP[i][j] = 1;
				if(m > right-left+1)
				{
					left = i;
					right = j;
				}
			}
			else
			{
				LP[i][j] = 0;
			}
		}
	//printf("%d %d\n", left, right);
	if(left == right)
	{
		char *result = (char*)malloc(sizeof(char)*(right-left+1+1));
		result[0] = a[left];
		return result;
	}
	else
	{
		char *result = (char*)malloc(sizeof(char)*(right-left+1+1));
		for(i=0;i<right-left+1;i++)
			result[i] = a[left+i];
		result[right-left+1] = '\0';
		return result;
	}
}

int main()
{
	char a[N];
	int len;
	char *b;
	while(scanf("%s",a)!=EOF)
	{
		b = LongestPalindrome(a);
		len = strlen(b);
		printf("%d\n", len);
		printf("%s\n",b);
	}

	return 1;
}



### 寻找最长回文子串的Python实现 #### 方法一:暴力解法 这种方法通过遍历所有可能的子串并检查它们是否为回文来解决问题。虽然简单直观,但是效率较低。 ```python def longest_palindrome_brute_force(s: str) -> str: def is_palindrome(sub: str) -> bool: return sub == sub[::-1] max_length = 0 result = "" for i in range(len(s)): for j in range(i, len(s)): substr = s[i:j+1] if is_palindrome(substr) and len(substr) > max_length: max_length = len(substr) result = substr return result ``` 此方法的时间复杂度为O(n^3),因为对于每一个起始位置i和终止位置j都需要进行一次字符串反转操作来验证其是否为回文[^1]。 #### 方法二:动态规划 采用二维数组dp记录状态转移情况,`dp[i][j]` 表示从索引 `i` 到 `j` 的子串是否构成回文。当两端字符相等且内部也是回文时,则整个区间即为回文。 ```python def longest_palindrome_dp(s: str) -> str: n = len(s) dp = [[False]*n for _ in range(n)] ans = "" for length in range(n): for start in range(n-length): end = start + length if (length == 0 or length == 1 or dp[start+1][end-1]) \ and s[start]==s[end]: dp[start][end]=True ans=s[start:end+1] return ans ``` 该算法的空间复杂度较高,达到了 O(n²)[^2]。 #### 方法三:中心扩展法 考虑到任何回文都围绕着某个中心展开的事实,可以尝试以每个字符为中心向两侧扩散直到遇到不匹配为止。这样做的好处是可以在线性时间内完成任务。 ```python def expand_around_center(s: str, left: int, right: int) -> tuple[int,int]: while left >= 0 and right < len(s) and s[left] == s[right]: left -= 1 right += 1 return left+1,right-1 def longest_palindrome_expansion(s: str) -> str: if not s: return "" start,end=0,0 for center in range(2*len(s)-1): # 考虑到偶数长度的情况 l,r=(center//2),(center//2)+(center%2) new_l,new_r=expand_around_center(s,l,r) if new_r-new_l>end-start: start,end=new_l,new_r return s[start:end+1] ``` 这种方法能够有效地减少不必要的比较次数,在最坏情况下仍然保持较好的性能表现[^3]。 #### 方法四:Manacher算法 为了进一步优化时间复杂度至线性级别,可以应用 Manacher 算法。该算法通过对原字符串预处理以及巧妙地利用已知信息避免重复工作实现了高效求解。 ```python def preprocess_string(s: str) -> str: """Preprocesses the string by inserting special characters.""" processed_s = '^' for char in s: processed_s += '#' + char processed_s += '#$' return processed_s def manachers_algorithm(s: str) -> str: T = preprocess_string(s) P = [0] * len(T) C,R,X,Z,max_len,index_of_max = 0,0,-1,-1,0,0 for i in range(1,len(T)-1): mirror_i = 2*C-i if R>i: P[i]=min(R-i,P[mirror_i]) while T[i+(P[i]+1)]==T[i-(P[i]+1)]: P[i]+=1 if i+P[i]>R: C=i;R=i+P[i]; if P[i]>max_len: index_of_max=C-P[C];max_len=P[i]; return s[index_of_max:index_of_max+max_len] ``` 上述代码展示了如何使用 Manacher 算法快速定位最长回文子串,并将其提取出来作为最终的结果输出[^4]。
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