石子合并问题: 在一个圆形操场的四周摆放着n堆石子。现要将石子有次序地合并成一堆。规定每次只能选相邻的2堆石子合并成新的一堆,并将新的一堆石子数记为该次合并的得分。试设计一个算法,计算出将n堆石子合并成一堆的最小得分和最大得分

本文介绍了如何解决一个石子合并问题,即如何在一个圆形操场的四周合并石子堆,每次都选择相邻的两堆进行合并。通过动态规划的方法,计算出将n堆石子合并成一堆的最小得分和最大得分。示例代码中展示了C++实现的算法,计算过程包括初始化二维数组,遍历不同长度的合并路径,更新最小值和最大值,并最终得出答案。

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### 石子合并问题的解决方法 石子合并问题是动态规划的经典应用之一,主要涉及如何将若干石子按照特定规则合并一堆在此过程中优化得分最大最小化)。以下是针对圆形操场上的石子合并问题的具体分析算法。 #### 1. 动态规划的核心思想 动态规划通过分解复杂问题为更简单的子问题来解决问题。对于石子合并问题,可以通过定义合适的状态变量以及状态转移方程来构建解决方案[^1]。具体来说: - **状态定义**: `dp[i][j].min` `dp[i][j].max` 表示从第 i 到第 j 石子合并后的最小得分最大得分。 - **初始条件**:当只有一堆石子时,即 `i == j` 的情况,此时无需合并,因此 `dp[i][i].min = dp[i][i].max = 0`。 - **状态转移方程**:假当前区间 `[i, j]` 被划分为两个部分 `[i, k]` `[k+1, j]`,则可以得到如下递推关系: - 最小得分: \[ dp[i][j].\text{min} = \min_{i \leq k < j}(dp[i][k].\text{min} + dp[k+1][j].\text{min} + sum(i,j)) \] - 最大得分: \[ dp[i][j].\text{max} = \max_{i \leq k < j}(dp[i][k].\text{max} + dp[k+1][j].\text{max} + sum(i,j)) \] 其中,`sum(i, j)` 是从第 i 到第 j 石子数量。 --- #### 2. 圆形石子合并问题的特殊处理 由于石子分布在圆形操场上,首尾两堆石子也是相邻的,这增加了问题的复杂度。为了简化计算,通常采用一种技巧:将原序列扩展一倍,形线性结构后再进行动态规划求解。最后的结果需考虑所有可能的分割方式取最优值[^2]。 --- #### 3. 算法 以下是一个基于 Python 的动态规划实代码,用于计算圆形石子合并问题最小得分最大得分。 ```python def stone_merge(stones): n = len(stones) # 扩展石头数组以模拟环形结构 stones_extended = stones * 2 def calculate_dp(start_index, end_index): # 初始化 DP 数组 dp_min = [[float('inf')] * (end_index - start_index) for _ in range(end_index - start_index)] dp_max = [[float('-inf')] * (end_index - start_index) for _ in range(end_index - start_index)] prefix_sum = [0] * (end_index - start_index + 1) for i in range(start_index, end_index): prefix_sum[i - start_index + 1] = prefix_sum[i - start_index] + stones_extended[i] # 初始条件 for l in range(1, end_index - start_index): # 子区间的长度 for i in range(start_index, end_index - l): j = i + l current_sum = prefix_sum[j - start_index + 1] - prefix_sum[i - start_index] for k in range(i, j): min_val = dp_min[i - start_index][k - start_index] + \ dp_min[k + 1 - start_index][j - start_index] + current_sum max_val = dp_max[i - start_index][k - start_index] + \ dp_max[k + 1 - start_index][j - start_index] + current_sum dp_min[i - start_index][j - start_index] = min(dp_min[i - start_index][j - start_index], min_val) dp_max[i - start_index][j - start_index] = max(dp_max[i - start_index][j - start_index], max_val) return dp_min[start_index:end_index-start_index], dp_max[start_index:end_index-start_index] result_min = float('inf') result_max = float('-inf') # 枚举所有可能的起点 for s in range(n): dp_min, dp_max = calculate_dp(s, s+n) result_min = min(result_min, dp_min[0][-1]) result_max = max(result_max, dp_max[0][-1]) return result_min, result_max # 测数据 stones = [4, 4, 5, 9] result = stone_merge(stones) print(f"Minimum score: {result[0]}") # 输最小得分 print(f"Maximum score: {result[1]}") # 输最大得分 ``` 上述代码实了对任意数量石子最小得分最大得分计算过程。测用例表明,四石子分别为 4、4、5、9 时,最小得分为 43,最大得分为 54。 --- #### 4. 总结 通过对石子合并问题的研究发,动态规划是一种非常有效的工具,在面对具有重叠子问题特性的场景下尤为适用。无论是直线型还是圆周型布局,都可以借助类似的思路完最优化目标的设计与实。 ---
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