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区间动态规划

article 2024/10/26 5:17:20

区间动态规划（Interval DP）是动态规划的一种重要变种，特别适用于解决一类具有区间性质的问题。典型的应用场景是给定一个区间，要求我们在满足某些条件下进行最优划分或合并。本文将从区间DP的基本思想、常见问题模型以及算法实现几个方面展开讨论，帮助你理解如何应用区间DP解决复杂问题。

1. 区间动态规划的基本思想

区间动态规划的核心思想是：对于一个长度为 (n) 的序列或区间，定义状态 (dp[l][r]) 表示在区间 ([l, r]) 上的最优解（根据问题的不同，最优解可以是最大值、最小值、或是某种收益）。通过将较大的区间划分为更小的区间，并利用较小区间的最优解来推导出较大区间的最优解，逐步求解最终问题。

常用递推形式

在区间动态规划中，通常我们会使用三层循环：

区间长度：从较短的区间逐渐扩展到整个区间。
左端点：根据当前的区间长度，从左向右遍历区间的起点。
分割点：对当前区间尝试所有可能的分割方式，进而计算合并后的最优值。

一般递推公式为：
[ dp[l][r] = \min/\max { dp[l][k] + dp[k+1][r] + \text{cost}(l, r) \mid l \leq k < r } ]
其中，(\text{cost}(l, r)) 是将两个子区间合并成区间 ([l, r]) 时的代价，具体形式依赖于具体问题。

2. 区间DP的常见问题模型

以下是一些常见的区间DP问题，以及它们的建模和解法。

2.1 石子合并问题

问题描述：给定一个长度为 (n) 的数组，代表 (n) 堆石子，每次可以将相邻的两堆石子合并，合并的代价是两堆石子的总和。求将所有石子合并成一堆的最小代价。

状态定义：

( dp[i][j] ) 表示将区间 ([i, j]) 上的石子合并成一堆的最小代价。
初始时，( dp[i][i] = 0 )，因为单独一堆石子没有合并的代价。

状态转移方程：
[ dp[i][j] = \min_{i \leq k < j} { dp[i][k] + dp[k+1][j] + \text{sum}(i, j) } ]
其中，(\text{sum}(i, j)) 是区间 ([i, j]) 内所有石子的总和。

2.2 矩阵连乘问题

问题描述：给定 (n) 个矩阵，求将这些矩阵按给定顺序全部相乘所需的最小运算次数。

状态定义：

( dp[i][j] ) 表示将第 (i) 到第 (j) 个矩阵相乘所需的最小运算次数。

状态转移方程：
[ dp[i][j] = \min_{i \leq k < j} { dp[i][k] + dp[k+1][j] + \text{cost}(i, j) } ]
其中，(\text{cost}(i, j)) 是矩阵链 (A[i] \times A[i+1] \times … \times A[j]) 的相乘代价。

2.3 回文串分割问题

问题描述：给定一个字符串，求最少将其分割成若干个回文子串。

状态定义：

( dp[i][j] ) 表示将区间 ([i, j]) 上的字符串分割成回文子串所需的最少分割次数。

状态转移方程：
[ dp[i][j] = \min_{i \leq k < j} { dp[i][k] + dp[k+1][j] } ]
其中，如果字符串 ([i, j]) 本身是一个回文，则 (dp[i][j] = 0)。

3. 区间DP的实现步骤

要实现区间DP，通常需要遵循以下几个步骤：

定义状态：明确状态 (dp[l][r]) 的含义。
初始化：根据问题的初始条件，设定边界值。
状态转移：通过遍历区间长度、左端点和分割点，逐步推导出更大区间的最优解。
返回结果：根据问题要求返回最终的最优解。

代码示例：石子合并问题

#include <iostream>
#include <vector>
#include <climits>
using namespace std;

const int MAXN = 100;
int stones[MAXN];  // 石子重量
int dp[MAXN][MAXN];  // dp数组
int prefixSum[MAXN];  // 前缀和，用于快速计算区间和

// 求解石子合并问题的最小代价
int minMergeCost(int n) {
    // 计算前缀和
    for (int i = 1; i <= n; ++i) {
        prefixSum[i] = prefixSum[i - 1] + stones[i];
    }
    
    // 区间DP
    for (int len = 2; len <= n; ++len) {  // 区间长度
        for (int i = 1; i + len - 1 <= n; ++i) {
            int j = i + len - 1;
            dp[i][j] = INT_MAX;
            for (int k = i; k < j; ++k) {
                dp[i][j] = min(dp[i][j], dp[i][k] + dp[k + 1][j] + prefixSum[j] - prefixSum[i - 1]);
            }
        }
    }
    
    return dp[1][n];  // 返回合并整个区间的最小代价
}

int main() {
    int n;
    cout << "输入石子堆的数量：";
    cin >> n;
    cout << "输入每堆石子的重量：";
    for (int i = 1; i <= n; ++i) {
        cin >> stones[i];
    }
    
    cout << "最小合并代价：" << minMergeCost(n) << endl;
    return 0;
}