基础区间dp,

矩阵连乘与动态规划
本文探讨了矩阵连乘问题的最优解决方案,通过动态规划算法寻找最有效的计算次序,以减少不必要的乘法操作,同时提供了详细的算法实现过程。

矩阵最优连乘:
Description

给定n个矩阵{A0,A1,…,An-1}, 其中Ai,i=0,…,n-1的维数为pi*pi+1,并且Ai与Ai+1是可乘的。考察这n个矩阵的连乘积A0A1…An-1,由于矩阵乘法满足结合律,所以计算矩阵的连乘可有许多不同的计算次序。矩阵连乘问题是确定计算矩阵连乘积的计算次序,使得按照这一次序计算矩阵连乘积,需要的“数乘”次数最少。Input第一行输入n的值,第二行输入n个矩阵的维数pi(i=0,…,n)。Output最少乘法次数。
Sample Input

6
30 35 15 5 10 20 25

Sample Output

15125

Source

矩阵连乘算法算是经典的动态规划算法的问题(Dynamic Programming)(明显的具有最优子结构和重叠子问题的特点,证明略)。既然是动态规划问题,那很明显是用到了数组来存储子结构的解。

我们这里主要用到两个数组,一个是p数组,这是一维数组,存储着矩阵的维数,因为相邻两边的矩阵维数默认相同,对于n个矩阵来说,只需n+1个空间即可存储。

还有一个是m数组,这是一个二维数组m,m[i][j]是表示第i个矩阵和第j个矩阵相乘的计算次数。那么m[i][i]理所当然就是0啦,因为是自己乘自己。

如果i不等于j的话,我们就来一个递归的操作:设一个中间值k,i<=k<j,则m[i][j]=min{m[i][k]+m[k+1][j]+p[i]*p[k+1]*p[j+1]}(因为这个值是不停地比较产生的,所以需要去所有情况的最小值)这样就形成了一个类似于上三角的矩阵来表示递推计算次序:
#include
using namespace std;

const int N=7;
//p为矩阵链,p[0],p[1]代表第一个矩阵的行数和列数,p[1],p[2]代表第二个矩阵的行数和列数…length为p的长度
//所以如果有六个矩阵,length=7,m为存储最优结果的二维矩阵,s为存储选择最优结果路线的
//二维矩阵

void MatrixChainOrder(int *p,int m[N][N],int s[N][N],int length)
{
    int n=length-1;
    int l,i,j,k,q=0;
    //m[i][i]只有一个矩阵,所以相乘次数为0,即m[i][i]=0;
    for(i=1;i<length;i++)
    {
        m[i][i]=0;
    }
    //l表示矩阵链的长度
    // l=2时,计算 m[i,i+1],i=1,2,...,n-1 (长度l=2的链的最小代价)
    for(l=2;l<=n;l++)
    {
        for(i=1;i<=n-l+1;i++)
        {
            j=i+l-1; //以i为起始位置,j为长度为l的链的末位,
            m[i][j]=0x7fffffff;
            //k从i到j-1,以k为位置划分
            for(k=i;k<=j-1;k++)
            {
                q=m[i][k]+m[k+1][j]+p[i-1]*p[k]*p[j];
                if(q<m[i][j])
                {
                    m[i][j]=q;
                    s[i][j]=k;
                }
            }
        }
    }
    cout << m[1][N-1] << endl;
}
void PrintAnswer(int s[N][N],int i,int j)
{
    if(i==j)
    {
        cout<<"A"<<i;
    }
    else
    {
        cout<<"(";
        PrintAnswer(s,i,s[i][j]);
        PrintAnswer(s,s[i][j]+1,j);
        cout<<")";
    }
}
int main()
{
    int p[N]={30,35,15,5,10,20,25};
    int m[N][N],s[N][N];
    MatrixChainOrder(p,m,s,N);
    PrintAnswer(s,1,N-1);
    return 0;
}

括号匹配问题:
一开始用栈来做,判断是否匹配,不匹配则计数+1,计算出不匹配个数。这种算法处理不了很多数据。
1.首先,建立一个二位数组dp[][]来存储结果,dp[i][j]表示从S[i]到S[j]的最少添加括号个数。

2.那么首先可以把dp[i][j](i==j)的值存为1,因为一个字符必定需要添加一个括号。其他值先赋值为0。(阶段0)

3.然后,进行循环遍历,每阶段考虑k个长度的区间(k从1到总长),每次考虑i,j内的区间(i从0开始依次考虑),如果S[i]==S[j],说明他们是匹配的,dp[i][j]=dp[i+1][j-1](括号里面部分需要添加的最小括号数)

4.此外,该题还有分割情况(比如"[[[]]][[[]]]"需要分成两部分考虑),应依次考虑所有分割情况,如果进行了某种分割后,最多需要添加括号更少,就采用更小的值,所以有for(int k = i;k<j;k++)dp[i][j]=min(dp[i][j],dp[i][k]+dp[k+1][j]);

5.全部处理完后,dp[0][length-1]即为S[0]S[length]也就是整个字符串需要添加的最小括号数。

又该题可以看出,动态规划实际遍历了所有可能结果,其中用二维数组保存一些结果,加快了运算速度。
代码:

#define R 105
#include<stdio.h>
#include<limits.h>
int length(char s[]){
    int i=0;
    while(s[i++]!='\0');
    return i-1;
}
bool match(char a,char b){
    if(a=='('&&b==')')return 1;
    if(a=='['&&b==']')return 1;
    return 0;
}
int min(int a,int b){
    if(a<b)return a;
    else return b;
}
int main(){
    int n;
    char all[R];
    int dp[R][R];
    int i,j,k,x;
    int len;
    scanf("%d",&n);
    while(n--){
        scanf("%s",all);
        len = length(all);
        for(i=0;i<len;i++)
            for(j=0;j<R;j++)
                dp[i][j]=0;
        for(i=0;i<len;i++)
            dp[i][i]=1;
        for(k=1;k<=len;k++){//k为阶段数,表示处理长度为k的区间
            for(i=0;i<len-k;i++){
                j=i+k;
                dp[i][j]=INT_MAX;
                if(match(all[i],all[j]))
                    dp[i][j]=dp[i+1][j-1];
                for(x=i;x<j;x++)
                    dp[i][j]=min(dp[i][j],dp[i][x]+dp[x+1][j]);
                //printf("dp[%d][%d] = %d\n",i,j,dp[i][j]);
            }
        }
        printf("%d\n",dp[0][len-1]);
    }
    return 0;
}
合并石子:(圆形)

代码:

#include <iostream>
using namespace std;

int n, num[105], sum[105] = {};
int dp[105][105], ans = 0x3f3f3f3f;;

int main()
{
    cin >> n;
    for (int i = 1; i <= n; ++i) {
        cin >> num[i];
        num[i + n] = num[i];
        dp[i][i] = 0;
    }
    for (int i = 1; i <= n + n; ++i) {
        sum[i] = sum[i - 1] + num[i];
    }
    for (int k = 2; k <= n; ++k) {
        for (int i = 1; i <= 2*n - k + 1; ++i) {
            int j = i + k - 1;
            dp[i][j] = 0x3f3f3f3f;
            for (int t = i; t < j; ++t) {
                dp[i][j] = min(dp[i][j], dp[i][t] + dp[t + 1][j] + sum[j] - sum[i - 1]);
            }
        }
    }
    for (int i = 1; i <= n; ++i) {
        ans = min(ans, dp[i][i + n - 1]);
    }
    cout << ans;
}
<think>好的,我现在需要帮助用户找到关于区间动态规划的模板、讲解、示例和代码。首先,我要回顾一下用户提供的引用内容,看看有没有相关的信息。用户提到了引用[1]、[2]、[3]、[4],其中引用[1]和[3]、[4]涉及到动态规划的内容,尤其是引用[4]提到了凸多边形划分,这可能区间DP有关,因为这类问题通常需要将大区间分解成小区间来处理。 首先,我需要明确什么是区间动态规划。区间DP通常用于解决涉及区间或序列的问题,其中状态转移依赖于子区间的结果。常见的问题包括矩阵法、石子合并、凸多边形划分等。用户提供的引用[4]中的凸多边形划分问题正是一个典型的区间DP应用,因为需要将多边形分解为三角形,并计算最小权值积之和。 接下来,我需要整理区间DP的基本步骤和模板。根据常见的知识,区间DP通常定义状态为dp[i][j],表示处理区间i到j的最优解。然后,通过枚举分割点k,将区间分成i到k和k+1到j,再合并子问题的解。状态转移方程根据具体问题有所不同,例如石子合并中的状态转移是取合并两堆石子的最小代价,加上子区间的解。 然后,我需要查看用户提供的引用,看看是否有可用的内容。引用[3]提到了动态规划中的重叠子问题,这正是区间DP需要优化的地方,因为递归解法会有重复计算。引用[4]的问题可能需要区间DP来解决,所以可以作为一个示例。 接下来,我需要准备一个示例代码。通常,区间DP的代码结构是三重循环:外层循环遍历区间长度,中间循环遍历起始点,内层循环遍历分割点。例如,对于石子合并问题,可以写出相应的Python代码。 此外,用户可能需要了解区间DP的应用场景和优化方法。例如,某些情况下可以使用记忆化搜索代替迭代,或者利用四边形不等式进行优化。但用户可能更关注基础模板和示例,所以先提供基本的实现。 现在,我需要确保回答符合用户的要求:结构清晰,使用中文,正确使用LaTeX格式,生成相关问题,并引用相关文献。引用部分需要检查用户提供的引用内容是否相关。例如,引用[1]提到线性DP,而引用[4]的问题可以作为区间DP的例子,所以可能需要在回答中引用。 最后,生成相关问题需要考虑用户可能感兴趣的方向,比如区间DP的应用、优化方法、其他DP类型的区别等。</think>### 区间动态规划(Interval DP)详解 #### 一、基本概念 区间动态规划用于解决**区间或序列的最优分割问题**,其核心思想是将大区间划分为小区间,通过合并子区间的最优解得到全局最优解。典型问题包括: - 矩阵法(最小法次数) - 石子合并(最小合并代价) - 凸多边形划分(最小权值积和)[^4] #### 二、算法模板 1. **状态定义** 定义$dp[i][j]$表示区间$[i,j]$上的最优解。 2. **状态转移** 枚举分割点$k$,将区间分为$[i,k]$和$[k+1,j]$,合并子区间解: $$dp[i][j] = \min/\max \left( dp[i][k] + dp[k+1][j] + \text{cost}(i,j,k) \right) \quad \text{其中} \ i \leq k < j$$ 3. **初始化边界条件** - 区间长度为1时初始化:$dp[i][i] = 0$(根据具体问题调整) - 遍历时按区间长度从小到大计算 #### 三、示例:凸多边形划分 **问题描述**[^4] 将凸多边形划分为$N-2$个三角形,求所有三角形顶点权值积之和的最小值。 **状态转移方程** $$dp[i][j] = \min_{k=i+1}^{j-1} \left( dp[i][k] + dp[k][j] + w_i \cdot w_k \cdot w_j \right)$$ **代码实现** ```python def min_polygon_score(weights): n = len(weights) dp = [[0] * n for _ in range(n)] for length in range(2, n): # 区间长度(至少3个顶点) for i in range(n - length): j = i + length dp[i][j] = float('inf') for k in range(i + 1, j): dp[i][j] = min(dp[i][j], dp[i][k] + dp[k][j] + weights[i] * weights[k] * weights[j]) return dp[0][n - 1] ``` #### 四、适用场景优化 1. **常见问题** - 括号匹配最大化 - 最长回文子序列 - 字符串分割问题 2. **优化方法** - **记忆化搜索**:适用于不易确定遍历顺序的问题[^3] - **四边形不等式**:优化分割点枚举范围(将时间复杂度从$O(n^3)$降至$O(n^2)$) ---
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