cf352E Jeff and Brackets dp+矩阵快速幂(加法+min运算)

题意大致是这样的,一共要放 m 段括号序列,每一段放 n 个括号,也就是放 n*m个括号,再每一段中的 n 个位置分别有放左括号和右括号的代价,问最终摆放出合法的括号序列的最小代价是多少。

另外保证,n小于20,m小于1e7,m是整数

这个大概是我一年前多做的,当时在21组上T了,然后就放弃了,我也不记得当时怎么做的了,也不想看以前的代码。

很明显 n 个一段是循环的,所以肯定每个段作为一个整体考虑。为了保证括号序列的正确性,可以认为左括号为+1,右括号为-1,则正确性即过程中前缀和始终为正,最终总和为零。因此每个段的不同情况无非就是改段过程中的最小负值,以及整段的正负值。

其中最小负值范围在 [-n,0] 内,整段正负值则在 [-n,n] 内。

因此可以定义 dp 数组:

  dp[i][j][n+k] 表示 考虑完 n 个位置中的前 i 个位置,最小负值的绝对值为 j ,正负值为 k 的最小代价,此处为了保证下标为正,第三维加上了 n。

则在 dp[i][j][n+k] 的基础上,考虑第 i+1 个位置取左括号还是右括号,即可进行状态转移:

  dp[i+1][max(j,-(k+1))][n+k+1] = min(dp[i+1][max(j,-(k+1))][n+k+1], dp[i][j][n+k] + a[i+1]);

  dp[i+1][max(j,-(k-1))][n+k-1] = min(dp[i+1][max(j,-(k-1))][n+k-1], dp[i][j][n+k] + b[i+1]);

此处第一维可以滚动掉,不过毕竟 n 很小,所以并不占太多空间,就没有管。

然后,考虑多个段进行组合,其实若干段组合起来之后,只需要记录总正负值就可以了,而考虑如果正负值达到2*n,则可以在之前就放正负值为负的,将总正负值限制在小于 2*n,即:

如果 n 为 10,则4段正负值为 10 10 -10 -10 的情况下,可以调整为 10 -10 10 -10 而保证实际情况和代价均不变。

但注意,需要保留到 2*n-1 (大概?),因为如果限制在小于 n 的话,会导致最小负值较小的不能参与转移。

然后我们就可以进行块的转移推导了:

我们可以考虑在已有正负值为 i 的情况下, 想要转移到正负值为 j 的情况,先用DP数组来表示转移。

定义 DP[x][i] 为考虑完前 x 块,总正负值为 i 的最小代价,则 DP[x-1][j] 转移到 DP[x][i] 可以这样考虑:

第 x 块的正负值为 p = i-j ,其绝对值应当小于 n,因为单块的正负值不会超过 n。

第 x 块的最大负值的绝对值 k 则不得大于 j ,k 是需要循环枚举的。

对于枚举的 i 、 j 、 k,和求得的 p,则有:

  DP[x][i] =  min( DP[x][i] , DP[x-1][j] + dp[n][k][n+p] )。

如果直接这样做DP,则块数有 m 个,i 和 j 均为 2n 个,k 也有 n 个,则复杂度将是 O(m * n^3),显然会超时(虽然我不知道一年前写的是不是这样超时的)。

但是我们发现,这个状态转移非常类似矩阵乘法,只是将乘法改成加法,将加法改成min。结合 m 的范围,不难想到 1e7 必然不是用来循环遍历的,这个数据量很适合矩阵快速幂。

大概在半年前,我在某个比赛还是什么的上面接触过矩阵快速幂的改写,大约听题解是将矩阵乘法改成了加法+max,虽然没有补那个题,但是也还是有印象,就尝试着改写了一下。

主要改写的要求必然是矩阵运算的结合律:

  M*(M*T) = (M*M)*T

则矩阵运算就可以将左边的 m 次变成快速幂进行运算。

我将DP的每一层写成列向量作为T,而M的每个元素则是对应位置需要加的值:

  M[i][j] = min_(0<=k<=j) dp[n][k][n+p];

并手推演算了一下样例里的矩阵进行运算,发现似乎是符合结合律的,虽然并没有进行严谨的证明,但是我还是这样改了矩阵快速幂的板子,敲了一下,结果就A掉了

 #include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
typedef long long ll;
const ll INF = 0x3f3f3f3f3f3f3f3f; struct mat{
int r,c;
ll m[][];
mat(){}
mat(int r,int c):r(r),c(c){}
}; void clear(mat &a){
memset(a.m,0x3f,sizeof(a.m));
} inline ll min(ll a, ll b){return a <= b ? a : b ;} mat mul(mat a,mat b){
mat tmp(a.r,b.c);
clear(tmp);
int i,j,k;
for(i=;i<tmp.r;i++){
for(j=;j<tmp.c;j++){
for(k=;k<a.c;k++){
tmp.m[i][j]=min(tmp.m[i][j], a.m[i][k] + b.m[k][j]);
}
}
}
return tmp;
} mat QP(mat a,int n){
mat ans(a.r,a.r),tmp(a.r,a.r);
memcpy(tmp.m,a.m,sizeof(tmp.m));
clear(ans);
for(int i=;i<ans.r;i++){
ans.m[i][i]=;
}
while(n){
if(n&)ans=mul(ans,tmp);
n>>=;
tmp=mul(tmp,tmp);
}
return ans;
} void print(mat a){
for(int i=;i<a.r;++i){
for(int j=;j<a.c;++j){
printf("%lld",a.m[i][j]);
if(j==a.c-)printf("\n");
else printf(" ");
}
}
} ll dp[][][];
int n,m;
int a[],b[]; int main(){
scanf("%d%d",&n,&m);
for(int i = ; i <= n ; ++ i)scanf("%d",&a[i]);
for(int i = ; i <= n ; ++ i)scanf("%d",&b[i]);
memset(dp,0x3f,sizeof(dp));
dp[][][n+] = a[];
dp[][][n-] = b[];
for(int i = ; i < n ; ++ i){
for(int j = ; j <= n ; ++ j){
for(int k = -i ; k <= i ; ++ k){
dp[i+][max(j,-(k+))][n+k+] = min(dp[i+][max(j,-(k+))][n+k+], dp[i][j][n+k] + a[i+]);
dp[i+][max(j,-(k-))][n+k-] = min(dp[i+][max(j,-(k-))][n+k-], dp[i][j][n+k] + b[i+]);
}
}
}
mat M(*n,*n), T(*n,);
clear(M);
clear(T);
for(int i = ; i < * n ; ++ i){
for(int j = ; j < * n ; ++ j){
int p = i - j;
if(abs(p) > n)continue;
for(int k = ; k <= j ; ++ k){
M.m[i][j] = min(M.m[i][j], dp[n][k][n+p]);
}
}
}
T.m[][] = ;
mat ans = mul(QP(M,m), T);
printf("%lld\n",ans.m[][]);
return ;
}
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