回文字符串问题

所谓回文字符串,就是一个字符串,从左到右读和从右到左读是完全一样的,比如”aba”。下面来几个回文字符串的问题。

  • 给你一个字符串,可在任意位置添加字符,最少再添加几个字符,可以使这个字符串成为回文字符串。

我们来考虑这个问题,我们拟一个dp数组,用dp[i][j]表示第i个字符到第j个字符满足是回文字符串的答案数,对于动态规划的推导式,很多初学者只是觉得对或者根本看不懂,我们要先有一个概念:dp[i][j]存的已经是从i到j添加字符最小值,先不必考虑这个值是多少,我们可以使用这个值。那么我们来考虑状态转移,对于dp[i][j](这是一个未知值),我们分两种情况讨论:

  1. s[i]=s[j]的情况。
    这就非常容易了:dp[i][j]=dp[i+1][j-1],什么意思呢?就是左右两边的字符相等,那么答案就是第i个数到第j个数的最小操作数也就是dp[i+1][j-1]的值(别忘了我们设定这是一个最优值)。

  2. s[i]!=s[j]的情况。
    这需要考虑的多一些,我们慢慢来。首先由于s[i]!=s[j],我们单纯的用dp[i][j]=dp[i+1][j-1]+2的方法也就是对两边不同的元素分别进行“复制”是不行的,举个反例:baba,dp[‘ab’]=1(我们使用这个最优结果),那么用上面的方法dp[‘ab(ab)ab’]=3(或dp[‘ba(ab)ab’]=3),然而我们有更好的方法,dp[‘ababa’]=2。问题出在对于原本的字符串‘ab’没有利用起来,单纯只有‘ab’时一次操作是必须的,那么如果能在左边‘碰到’b或者右边‘碰到’a那就是极好的,所以我们得到一个推导式dp[i][j]=min(dp[i+1][j]+1,dp[i][j-1]+1,dp[i][j]),前面两个取小值可以理解了,但是最后为什么还要和自身比小?我们在列表推导式化为代码的时候讲。

现在,我们有了列表推导式,但是对于初学者来说看到推导式也写不出代码,这个时候我们就要用到dp的特性了:最优子结构和无后效性。
最优子结构可以简单理解为前面说的dp[i][j]我们假定这个值是最优的,无后效性简单理解为当前状态是前面状态的完美总结,现在与过去无关。。。

接下来我们解决dp[i][j]这个值已知的情况,总不能说这个值我不求就真的知道吧。
我们来看推导式:dp[i][j]=min(dp[i+1][j],dp[i][j-1],dp[i][j])。在这里我们发现推导式后面的长度比dp[i][j]要小(还是先忽略dp[i][j]),那么放大到极限情况,长度为1的情况,一个字符变成回文需要几个字符?1个。保证最优,不服来辩。接下来就是长度为2的情况,看看我们是不是可以用上面的推导式了,比如aa,满足第一条a=b,那么dp[0][1]=dp[1][0],这里我们就需要初始化dp[i][i-1]为0了,所以dp[0][1]=0,正确,比如ab,dp[0][1]=min(dp[1][1]+1,dp[0][0]+1,dp[0][1]),dp[0][0]和dp[1][1]分别为a和b,我们需要初始化dp[i][i]=0,即一个字符成回文需要0个字符,那么答案就是1,正确(后来我看了下dp[0][1]好像是不需要的,可能是在上面地方被坑到过吧,,暂时不管了),所以我们代码的思路是先枚举长度,从小到大,然后枚举长度为该值的字符串,即满足了从小长度到大长度的递推,最优子结构,如果不按照这样来,会出现假定的dp[i][j]值‘已知’失败。

  • 给你一个字符串,可在任意位置添加,修改,删除字符,求需要最少的操作数

这个问题咋一看和第一问一样,其实不是。多了两个操作,我们看删除,本质上和添加无差,都是一次操作。再看修改,可能有的人会说删除不也是一次操作吗?没错,虽然是一次操作,但是在s[i]!=s[j]的时候有可能会减少操作,我们举个例子:acdb,如果通过添加那么可能需要3步,通过修改a变成b或者b变a只需2步。所以状态转移变成dp[i][j]=min(dp[i+1][j]+1,dp[i][j+1]+1,dp[i+1][j-1]+1)。

  • 给出一串字符,添加或删除一个字符,都会产生一定的花费。那么,将字符串变成回文串的最小花费是多少呢?

上面讲到删除和修改的操作数一样,这样我们只需要把删除和修改的操作的花费取小的即可。

### 蓝桥杯竞赛中回文字符串题目解析 #### 回文自动机构建与应用 针对蓝桥杯等编程竞赛中的回文字符串问题回文自动机是一种非常有效的工具[^1]。该数据结构可以在线处理并识别所有的本质不同的回文字串,其核心在于维护一组状态节点以及它们之间的转移关系来表示可能存在的各种回文模式。 为了更好地理解和运用这一概念,在实际编码过程中通常会定义两个主要部分: - **初始化**:创建根节点作为初始状态,并设定必要的变量用于记录当前最长前缀回文和其他辅助信息。 - **扩展函数**:每当读入新的字符时调用此方法更新现有状态集;尝试找到匹配的新位置或新增加一个新结点代表尚未见过的更长回文序列。 以下是基于上述描述的一个简化版 Python 实现例子: ```python class PalindromeAutomaton: def __init__(self): self.nodes = [{}] self.lengths = [0] self.links = [-1] def extend(self, c): current_node = len(self.nodes) - 1 new_node = {} while current_node != -1 and c not in self.nodes[current_node]: self.nodes[current_node][c] = len(self.nodes) current_node = self.links[current_node] if current_node == -1: link_to = 0 else: next_char = self.nodes[current_node].get(c, None) if self.lengths[next_char] == self.lengths[current_node] + 2: link_to = next_char else: clone = {k: v for k, v in self.nodes[next_char].items()} self.nodes.append(clone) self.lengths.append(self.lengths[current_node] + 2) self.links.append(self.links[next_char]) while current_node != -1 and self.nodes[current_node].get(c, None) == next_char: self.nodes[current_node][c] = len(self.nodes) - 1 current_node = self.links[current_node] link_to = len(self.nodes) - 1 self.nodes.append(new_node) self.lengths.append(self.lengths[current_node] + 2 if current_node >= 0 else 1) self.links.append(link_to) pa = PalindromeAutomaton() for char in 'abacaba': pa.extend(char) print(f'Total distinct palindromic substrings count is {len(pa.nodes)-1}') ``` 这段代码展示了如何利用回文自动机制作一个简单的程序去统计给定字符串中有多少个独特的非空连续回文子串。 #### 动态规划求解特定类型的回文子串数量 除了使用高级的数据结构外,对于某些具体场景下的简单回文检测任务也可以采用动态规划的方法来进行优化求解。例如当只需要知道某个范围内是否存在任意长度大于等于某阈值的回文片段时,则可以通过预先计算好所有可能情况下的真假值表(即`dp[][]`数组),从而使得后续询问变得极为迅速[^3]。 考虑这样一个实例:“给定字符串`s="abc"`”,要找出其中有多少个单独字符构成的有效回文子串。“a”, “b” 和 “c” 显然各自满足条件,因此总数为三[^4]。
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