决策单调性小结

本文总结了决策单调性在动态规划中的应用,包括斜率优化和四边形不等式优化。斜率优化利用上/下凸壳概念简化1D1D动态规划问题,尤其在x和f单调时,可以通过单调队列或二分处理。四边形不等式决策单调性用于判断dp矩阵的性质,当w[i,j]满足特定条件时,dp[i,j]的最优解K[i,j]只与相邻的K值有关。文章列举了多个实际问题如玩具装箱、货币兑换等,展示这些优化技术的应用。" 110937391,10294191,SQL数据库随机抽取50条数据详解,"['SQL', '数据抽样', '数据库管理']

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1D1D动态规划
指状态数为O(n)O(n)O(n),每个状态的决策数为O(n)O(n)O(n),直接求解的复杂度为O(n2)O(n^2)O(n2)的动态规划方程dp[i]=min/max{ dp[j]+S[i,j]}dp[i] = min/max \{dp[j] + S[i, j]\}dp[i]=min/max{ dp[j]+S[i,j]}

斜率优化
斜率优化是1D1D的一种常见优化方式,一般的套路是先写出dpdpdp方程,然后对于考虑iii之前的某个决策jjjkkk,假设kkk决策优于jjj决策时,能对应得到一个不等式,满足这个不等式就表示kkk决策是优于jjj决策的,并且此时惊奇的发现可以把决策看做平面上的点,不等式也就转化成了斜率的比较。
此时iii之前的最优决策点一定是在上/下凸壳上。

具体实例
对于斜率式,设k>jk > jk>jkkkjjj都是i的前置状态, 满足yk−yjxk−xj<fi\frac{y_k-y_j}{x_k-x_j}<f_i

### 决策单调性动态规划算法实现与优化 #### 定义与特性 决策单调性是指在某些情况下,随着状态的变化,最优决策点也呈现出某种单调变化的趋势。这种性质能够显著减少不必要的计算量,从而提高求解效率[^2]。 对于具备决策单调性动态规划问题而言,在构建状态转移方程时会发现其拥有如下特点之一: - **四边形不等式**:当`w(a,c)+w(b,d)<=w(a,d)+w(b,c)` 对于所有的 `a<=b<c<=d` 成立,则称函数 w 满足四边形不等式; - **凸/凹单峰条件**:如果 f(x,y)=dp[x]+cost[y-x] 是关于 y 单调增加或者先减后增(即存在某个 k 使得 x<k 时递减而 x>k 时递增),那么该 DP 方案就可能存在决策单调性[^4]。 #### 实现方式 针对上述两种情况下的具体应用实例分析表明,可以通过不同的策略来利用这些特殊结构达到加速效果: ##### 方法一:分治法 通过观察到每次更新 dp[i] 的时候只需要考虑前面一段连续区间内的 j 值即可得到更优的结果;因此可以采用二分查找的方式寻找这一区间的边界位置 m ,进而将整个过程划分为两个子问题分别处理直到规模足够小时直接暴力枚举解答。 ##### 方法二:二分队列维护极值 考虑到许多实际题目中的 cost 函数往往具有良好的数学形式,比如线性关系或者其他易于操作的形式,此时就可以借助数据结构如双端队列(deque) 来高效地追踪当前范围内最小(大)代价对应的下标集合,并据此完成快速的状态迁移[^3]。 ```cpp deque<int> q; for (int i = 0; i < n; ++i){ while (!q.empty() && check(q.front(), i)) q.pop_front(); ans += calc(i, q.front()); // 维护队列中元素满足单调性 while (!q.empty() && compare(i, q.back())) q.pop_back(); q.push_back(i); } ``` #### 进一步思考 值得注意的是,并不是所有看似复杂的 DP 都适合用这种方法简化——只有那些确实表现出明显规律的问题才值得尝试引入额外的数据结构或技巧来进行改进。所以在面对新类型的挑战之前,应当仔细研究模型本身的特点再做决定。
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