最長遞增子序列

對于下面一個序列:

2,1,5,3,6,4,8,9,7

求其最長遞增子序列(可以不連續但順序不可變)

解法一:動態規劃法(O(N^2))

既然是動態規劃法,那么最重要的自然就是尋找子問題,對于這個問題,我們找到他的子問題:

對于長度為N的數組A[N] = {a0, a1, a2, ..., an-1},假設假設我們想求以aj結尾的最大遞增子序列長度,設為L[j],那么L[j] = max(L[i]) + 1, where i < j && a[i] < a[j], 也就是i的范圍是0到j - 1。這樣,想求aj結尾的最大遞增子序列的長度,我們就需要遍歷j之前的所有位置i(0到j-1),找出a[i] < a[j],計算這些i中,能產生最大L[i]的i,之后就可以求出L[j]。之后我對每一個A[N]中的元素都計算以他們各自結尾的最大遞增子序列的長度,這些長度的最大值,就是我們要求的問題——數組A的最大遞增子序列。

時間復雜度:由于每一次都要與之前的所有i做比較,這樣時間復雜度為O(N^2)。


解法二:動態規劃法(O(NlogN))

上面的解法時間復雜度為O(N^2)。仔細分析一下原因,之所以慢,是因為對于每一個新的位置j都需要遍歷j之前的所以位置,找出之前位置最長遞增子序列長度。那么我們是不是可以有一中方法能不用遍歷之前所有的位置,而可以更快的確定i的位置呢?

這就需要申請一個長度為N的空間,B[N],用變量len記錄現在的最長遞增子序列的長度。

B數組內任意元素B[i],記錄的是最長遞增子序列長度為i的序列的末尾元素的值,也就是這個最長遞增子序列的最大元素的大小值。同時,后面會發現B[1...i]也是一個單調遞增序列。

首先,把d[1]有序地放到B里,令B[1] = 2,就是說當只有一個數字2的時候,長度為1的LIS的最小末尾是2。這時Len=1

然后,把d[2]有序地放到B里,令B[1] = 1,就是說長度為1的LIS的最小末尾是1,d[1]=2已經沒用了,因為2比1大,1在后續的價值要大。這時Len=1

接著,d[3] = 5,d[3]>B[1],所以令B[1+1]=B[2]=d[3]=5,就是說長度為2的LIS的最小末尾是5,很容易理解吧。這時候B[1..2] = 1, 5,Len=2

再來,d[4] = 3,它正好加在1,5之間,放在1的位置顯然不合適,因為1小于3,長度為1的LIS最小末尾應該是1,這樣很容易推知,長度為2的LIS最小末尾是3,于是可以把5淘汰掉,這時候B[1..2] = 1, 3,Len = 2

繼續,d[5] = 6,它在3后面,因為B[2] = 3, 而6在3后面,于是很容易可以推知B[3] = 6, 這時B[1..3] = 1, 3, 6,還是很容易理解吧? Len = 3 了噢。

第6個, d[6] = 4,你看它在3和6之間,于是我們就可以把6替換掉,得到B[3] = 4。B[1..3] = 1, 3, 4, Len繼續等于3

第7個, d[7] = 8,它很大,比4大,嗯。于是B[4] = 8。Len變成4了

第8個, d[8] = 9,得到B[5] = 9,嗯。Len繼續增大,到5了。

最后一個, d[9] = 7,它在B[3] = 4和B[4] = 8之間,所以我們知道,最新的B[4] =7,B[1..5] = 1, 3, 4, 7, 9,Len = 5。

于是我們知道了LIS的長度為5。

注意,這個1,3,4,7,9不是LIS,它只是存儲的對應長度LIS的最小末尾。有了這個末尾,我們就可以一個一個地插入數據。雖然最后一個d[9] = 7更新進去對于這組數據沒有什么意義,但是如果后面再出現兩個數字 8 和 9,那么就可以把8更新到d[5], 9更新到d[6],得出LIS的長度為6。

然后應該發現一件事情了:在B中插入數據是有序的,而且是進行替換而不需要挪動——也就是說,我們可以使用二分查找,將每一個數字的插入時間優化到O(logN)~~~~~于是算法的時間復雜度就降低到了O(NlogN)~!

補充:

假如x<y<t且a[x]<a[y],f[x]=f[y](其中f[x]表示a[1...x]的序列其最長遞增子序列的長度),也就是說選取x,y都可以更新得到相同的f[t]的值,那么選取誰呢。顯然選取x會更優,因為在a[x]…a[y]中如果存在a[z],使得a[x]<a[z]<a[y],那么就可以通過x得到更長的最長不降子序列的值。

根據f的值進行分類,我們只需要保留滿足f[t]=k的所有a[t]中的最小值,設d[k]記錄這個值,即d[k]:=min{a[t]}(f[t]=k),也就是k表示最長遞增子序列的長度。

我們注意到d有兩個特點:

1.?????? d[k]的更新值在整個過程中是單調不上升的。

2.?????? d數組是有序的。即d[1]<d[2]<...<d[k]

利用d,我們可以得到一種計算最長上升子序列的方法。設當前已經求出的最長上升序

列的長度為len,每次讀入一個新元素x。

如果x>d[len]將其直接假如d,inc(len)得到更長的序列

否則,在d中查找到第一個比該元素小的元素d[k],將該元素加入,d[k+1]:=x;如果使用

順序查找效率會很低,所以采用二分查找,將其復雜度降為log級,難點在于二分查找。

本題中的單調隊列的出現時利用決策的性質,用元素在動歸中的價值分類。在入隊操做

時并未讓所有元素出隊,而是直接插入相應位置(實質是替換更新),這是根據題目的特殊性決定的。對于一個單調的序列往往用二分法。

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