动态规划——最大子段和

最新推荐文章于 2022-05-07 08:14:35 发布

weixin_34088598

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文章标签：数据结构与算法

一、最大子段和

问题

给定N个数A1, A2, ... An，从中选出k（k不固定）个连续的数字 Ai, Ai+1, ... Ai+k-1，使得

分析
求最大子段和可以用多种算法来解决.
（1）直接枚举

max = 0;
for i in [1...n]
    for j in [i....n]
        sum = 0;
        for k in [i...j]
            sum += A[k]    
        if(sum > max)
            max = sum
//时间复杂度为O(n^3)

（2）求 sum[i...j]时，直接利用 sum[i...j] = sum[i...j-1] + A[j]来优化

max = 0;
for i in [1...n]
    sum = 0
    for j in [i....n]
        sum += A[j]
        if(sum > max)
            max = sum
//时间复杂度为O(n^2)

（3）分治法
将A1...An用二分法分为左右两边，则A1...An中的最大连续子段和可能为三种情况：
【1】是A1...An/2中的最大连续子段和
【2】是An/2+1....An中的最大连续子段和
【3】横跨左右两边

int MaxSum(int* a, int beg, int end){
    if (beg == end){
        return a[beg] > 0? a[beg] :0;
    }
    int mid = (beg + end) / 2;
    int max_left = MaxSum(a, beg, mid);
    int max_right = MaxSum(a, mid + 1 ,end);
    int s1 = 0, s2 = 0, m_left = 0, m_right = 0;
    for(int i = mid; i <= beg; i --){
        s1 += a[i];
        if(s1 > m_left)
            m_left = s1;
    }
    for(int i = mid+1; i <= end; i ++){
        s2 += a[i];
        if(s2 > m_right)
            m_right = s2;
    }
    int max_sum = max_left;
    if(max_right > max_sum)
        max_sum = max_right;
    if(m_right + m_left > max_sum)
        max_sum = m_left + m_right;
    return max_sum;
}
//时间复杂度为 O(nlogn)

（4）动态规划算法
用动归数组 dp[i]表示以Ai结尾的若干个连续子段的和的最大值，则有递推公式：
dp[i] = max{dp[i-1] + A[i], A[i]}

int max = 0;
for(int i = 1; i <= n; i ++){
   if(dp[i-1] > 0){
        dp[i] = dp[i-1] + A[i];
   }else{
        dp[i] = A[i];
   }
   if(dp[i]> max){
        max = dp[i];
   }
}
//时间复杂度为O(n)

二、最大子矩阵和

问题

给定MxN的矩阵，其子矩阵R{x1, y1, x2, y2} (x1, y1) 为矩阵左上角的坐标，(x2, y2)为矩阵右下角的坐标，S(x1,y1,x2,y2)表示子矩阵R中的数字的和，求所有子矩阵的和的最大值。

分析
矩阵有M行，line1, line2....lineM. 先限制行为从第i行到第j行，任意两列k和l，形成的一个子矩阵中元素的和：由于行已经限定为第i行到第j行，则形成的子矩阵的和可以视为将第i行到第j行按照行相加得到一个一维数组T，选择T中k个元素到第l个元素之间的元素和。这又归为一个求最大子段和问题。
即先选定行范围（比如从第i行到第j行），求所选定行元素按列相加得到一维数组，再求该一维数组的最大子段和

int sum_line[M][M];
for(int i =1; i <= n; i ++){
    sum_line[1][i] = A[1][i];
}
for(int i = 2; i <= m; i ++){
    for(int k = 1;k <= n; k ++){
        sum_line[i][k] = sum_line[i-1][k] + A[i][k];   
    }
}

for(int i = 1; i <= m; i ++){
    for(int j = i; j <= m; j ++){
        int b = 0;
        for(int k = 1; k <= n; k ++){
            if(b > 0){
                b += (sum_line[j][k] - sum_line[i-1][k]);
            }else{
                b = sum_line[j][k] - sum_line[i-1][k];
            }
            if(b > max){
                max = b;
            }
        }
    }
}
//时间复杂度为 O(m*m*n)

三、最大M子段和

问题

给定N个数，从中选出M个不重叠的连续子段，使得这些连续子段的和值最大，求该最大的和值。

分析
    f[i][j]表示将A[1...j]这些数分成i个不相交的连续子段，且A[j]为第i个子段的末尾，这i个子段和的最大值。则有动归方程 f[i][j] = max{f[i][j-1] + A[j], max{f[i-1][k]} k = i-1, i+1...j - 1}
    第一种情况是将A[1...j-1]分为i个不相交的连续子段，A[j-1]在第i个子段的末尾；此时再加上A[j]使得且A[j]和A[j-1]均位于第i个子段；
    第二种情况是将A[1...k]分为i-1个不同的子段，A[k]位于第i-1个子段的末尾；此时加上A[j]使得A[j]单独成为第i个子段

辅助数组进行优化
f[i][j]表示将A[1...i]这些数分成j个不相交的连续子段(注意这里是将前i个数分成j个不相交的子段），且A[i]为第j个子段的末尾，这j个子段和的最大值；g[i][j]表示将A[1...i]这些数分成j个不相交的连续子段，且A[i]不一定为第j个子段的末尾，这j个子段和的最大值。
则有递推关系：
f[i][j] = max{f[i-1][j] + A[i], g[i-1][j-1] + A[i]}
//对应两种情况：1. A[i]至少和前面的一个数位于第j个子段内；2. A[i] 自己位于第j个子段内

g[i][j] = max{g[i-1][j], f[i][j]}
//对应两种情况：1. A[i]不在第j个子段内，这相当于将 A[1...i-1]划分为j个子段 2. A[i]位于第j个子段内

long long int f[MAX_LEN];
long long int g[MAX_LEN];
int A[MAX_LEN];
/*f[i][j] 表示将A[1...i] 划分为j个不相交连续子串，且A[j]属于第i个子串，所能达到的最大子串和
g[i][j] 表示将A[1...j] 划分为i个不相交连续子串，且A[j]不一定属于第i个子串，所能达到的最大子串和
f[i][j] = max{f[i-1][j] + A[i], g[i-1][j-1] + A[i]}
g[i][j] = max{g[i-1][j], f[i][j]};
进行空间优化之后：
f[j] = max{f[j], g[j-1]} + A[i]
g[j - 1] = max(g[j - 1], f[j - 1]);
注意f和g的循环层次不同
这是因为：在外部进行到第i层循环的时候，f[i][j] = max{f[i-1][j] + A[i], g[i-1][j-1] + A[i]} 中max{}中的 f[j]和g[j-1]用的是
第i-1层循环的时候的 f[j]和 g[j-1]； 
若写成
f[j] = max(f[j] + A[i], g[j - 1] + A[i]);
g[j] = max(g[j], f[j]);
则本次的g[j]变成了第i次循环的g[j]，而下次循环的 f[j] = max{} 中 g[j-1]变成了第i次循环的g[j]，而不是第i-1次循环的g[j]
因此，写成 g[j-1] = max(g[j-1], f[j-1]); 使得 每次执行
for (j = 1; j <= m; j++){
	f[j] = max(f[j] + A[i], g[j-1] + A[i]);
	g[j-1] = max(g[j-1], f[j-1]);
}
的时候， f[j]都使用第i-1层的f[j]和g[j-1]，而g[j-1]使用的是第i-1层的g[j-1]和第i层的f[j]
*/
long long int MaxSum(int m, int n){
	int i, j;
	for (i = 1; i <= n; i++){
		for (j = 1; j <= m; j++){
			f[j] = max(f[j] + A[i], g[j-1] + A[i]);
			g[j-1] = max(g[j-1], f[j-1]);
		}
		g[j - 1] = max(g[j - 1], f[j - 1]);
	}
	return g[m];
}