合并相邻字符形成目标串的最小操作次数问题(字符插入、删除、替换,带相邻相同合并规则与代价)
题目描述
你有一个由小写字母组成的初始字符串 s,你可以对 s 进行以下操作任意次(每次操作有对应代价):
- 插入:在任意位置插入一个小写字母,代价为
c_i。 - 删除:删除任意位置的字符,代价为
c_d。 - 替换:将任意位置的字符替换为另一个小写字母,代价为
c_r。 - 合并:如果两个相邻字符 相同,可以选择将它们合并为一个新字符(新字符可以是任意小写字母,不一定与原字符相同),代价为
c_m。合并后原来两个字符消失,新字符占据原位置,字符串长度减 1。
你的目标是经过一系列操作,将初始字符串 s 转化为目标字符串 t。
求所需的最小总代价。
示例
假设初始串 s = "aab",目标串 t = "ab",代价为:c_i = 1, c_d = 1, c_r = 1, c_m = 1。
一种可能的操作序列:
- 将
s[0]和s[1]合并(两个'a'),合并为新字符'a',代价 1,得到"ab"(此时已等于t)。
总代价 = 1。
如果不用合并,可以通过删除一个'a'得到"ab",代价也是 1。
但若合并代价更低(比如c_m = 0.5),则合并更优。
解题思路(循序渐进)
本题是字符串编辑距离的扩展,加入了“相邻相同合并”操作。
因为合并操作会改变字符串长度和字符,且依赖于相邻字符的相等性,必须用区间 DP 来跟踪子串的变化。
步骤 1:定义 DP 状态
设 dp[i][j][k][l] 表示将 s 的子串 s[i..j](闭区间)转化为 t 的子串 t[k..l] 的最小代价。
但这样状态数可能太多(O(n^2 * m^2)),且合并操作会改变长度,不易处理。
我们换一种更高效的定义:
定义:dp[i][j][x][y] 表示将 s 的子串 s[i..j] 转化为 t 的子串 t[x..y] 的最小代价。
但这里我们注意:合并操作只发生在 s 的子串内部,不会涉及 t。
所以我们可以将状态设计为:
dp[i][j] 表示将 s[i..j] 转化为 任意一个字符 的最小代价(即合并到只剩一个字符)。
然后配合另一个 DP 数组 f[i][j][p][q] 表示将 s[i..j] 转化为 t[p..q] 的最小代价。
但更简洁的通用方法是:
dp[i][j][len_t] 表示将 s[i..j] 转化为 t 的某个长度为 len_t 的子串的最小代价。但这样不好直接对应到 t 的具体子串。
最终采用的标准方法:
设 f[i][j] 表示将 s 的子串 s[i..j] 转化为 空串 的最小代价(只通过删除和合并)。
设 g[i][j][p][q] 表示将 s[i..j] 转化为 t[p..q] 的最小代价。
但四维数组太大,可以优化:我们其实只需要将 s 的每个区间变成 t 的某个区间,因此可以用 dp[i][j][a][b] 表示将 s[i..j] 变成 t[a..b] 的最小代价。
但我们可以利用“合并”操作只在 s 上进行的特性,先预处理出 s 的每个区间合并成单个字符的最小代价,再用类似编辑距离的方式匹配到 t 的子串。
步骤 2:预处理合并代价
设 merge[i][j][ch] 表示将 s[i..j] 通过合并、删除、替换操作变成单个字符 ch 的最小代价。
但这样维度是 O(n^2 * 26),在 n 较小时可接受。
我们可以用区间 DP 计算:
merge[i][j][ch] 初始化为:
- 如果
j == i,则代价是min(c_r * (s[i] != ch), 0),即如果相同则 0,否则替换代价。 - 如果
j > i,则考虑最后一步操作:- 删除
s[i],然后merge[i+1][j][ch]加上删除代价c_d。 - 替换
s[i]为某个字符c',代价为c_r * (s[i] != c'),然后merge[i+1][j][ch]加上替换代价,但要考虑替换后是否可合并?这里替换后,s[i]变为c',但c'和后面的串最终要合并成ch,这需要更复杂的状态转移。
- 删除
更优的方法是定义 h[i][j] 表示将 s[i..j] 合并为任意单个字符的最小代价,然后记录对应的字符。
但为了匹配 t,我们需要知道合并成具体字符 ch 的代价。
实际上我们可以在匹配时动态计算,因为合并操作只在相邻相同字符时发生。
简化处理:
我们可以在区间 DP 中,将“合并”看作一种操作,和删除、替换、插入并列。
但合并是特殊的,它要求两个相邻字符相同,且合并后产生的新字符可以任意。
因此我们设计状态:
cost[i][j][c] 表示将 s[i..j] 变成单个字符 c 的最小代价。
转移时,考虑最后一步:
- 如果
j == i,cost[i][i][c] = (s[i] == c ? 0 : c_r)。 - 如果
j > i,考虑将s[i..j]分成两段s[i..k]和s[k+1..j],分别变成字符c1和c2,然后如果c1 == c2,则可以合并为c,代价为cost[i][k][c1] + cost[k+1][j][c2] + (c == c1 ? 0 : c_r) + c_m,这里注意合并本身代价c_m,且合并后如果c1不等于目标c,则需要额外替换代价。
实际上更准确的合并规则:合并操作将两个相同字符合并为一个新字符,新字符可以任意,所以合并的代价是c_m + (c == c1 ? 0 : c_r)。
但这样会复杂,因为c1和c2可能不同,此时不能直接合并,需要先通过替换使它们相同。
为了简化,我们可以在状态转移中,允许“替换”操作改变字符,因此我们可以在合并前先替换成相同字符。
标准转移方程(预处理 cost[i][j][c]):
初始化:cost[i][i][c] = (s[i] == c ? 0 : c_r)。
对于长度 len 从 2 到 n:
cost[i][j][c] 先考虑直接删除、替换等操作,但更直接的方法是:
- 最后一步是删除
s[i]:cost[i][j][c] = min(cost[i][j][c], c_d + cost[i+1][j][c])。 - 最后一步是替换
s[i]为c':代价c_r*(s[i]!=c') + cost[i+1][j][c],这里c'必须等于c吗?不一定,因为替换后s[i]变为c',后面子串变为单个字符c,但c'和c可能不同,此时需要额外替换。其实更简单:替换s[i]为c,代价c_r*(s[i]!=c) + cost[i+1][j][c]。 - 最后一步是合并:将
s[i..j]分成两段,分别变成相同字符c',然后合并为c,代价为cost[i][k][c'] + cost[k+1][j][c'] + c_m + (c'==c ? 0 : c_r)。这里注意,合并要求两段最终字符相同,即c'相同。
枚举k和c'即可。
cost 的维度过大时(n^2*26),但 n 较小(比如 ≤ 50)时可接受。
步骤 3:匹配到目标串 t
有了 cost[i][j][c] 后,我们定义 dp[i][j][a][b] 表示将 s[i..j] 变成 t[a..b] 的最小代价。
转移时,考虑 t[a..b] 的长度:
- 如果
a == b,则目标是一个字符t[a],那么dp[i][j][a][a] = cost[i][j][t[a]]。 - 如果
a < b,考虑最后一步匹配:- 将
s[i..j]的最后一个字符匹配到t[b]:将s分成两段s[i..k]和s[k+1..j],前者变成t[a..b-1],后者变成单个字符t[b],代价为dp[i][k][a][b-1] + cost[k+1][j][t[b]]。 - 将
s[i..j]的第一个字符匹配到t[a]:类似分成两段。
但更标准的方法是区间 DP 枚举分界点匹配目标串的某个分割点。
- 将
更好的方法是直接扩展编辑距离 DP:
设 f[i][j] 表示将 s[0..i] 变成 t[0..j] 的最小代价。但这样不能处理合并操作,因为合并会减少长度,且依赖于相邻字符。
所以必须用区间 DP 同时处理 s 和 t 的子串。
最终实用状态设计:
dp[l1][r1][l2][r2] 表示将 s[l1..r1] 变成 t[l2..r2] 的最小代价。
转移:
- 删除
s[l1]:dp[l1][r1][l2][r2] = min(dp[l1][r1][l2][r2], c_d + dp[l1+1][r1][l2][r2])。 - 插入字符匹配
t[l2]:dp[l1][r1][l2][r2] = min(dp[l1][r1][l2][r2], c_i + dp[l1][r1][l2+1][r2])。 - 替换
s[l1]匹配t[l2]:dp[l1][r1][l2][r2] = min(dp[l1][r1][l2][r2], c_r*(s[l1]!=t[l2]) + dp[l1+1][r1][l2+1][r2])。 - 合并操作:在
s[l1..r1]中,如果某段s[l1..k]可以合并成一个字符,然后匹配t[l2],再匹配剩下的。但更一般地,合并操作是s内部操作,可以在s的区间内任意位置合并相邻相同字符。
为了处理合并,我们可以在s区间长度大于 1 时,枚举合并的分界点k,将s[l1..k]和s[k+1..r1]分别匹配到t的子串,但要求s[l1..k]和s[k+1..r1]的最后一个字符相同,才能合并。
实际上,我们可以在dp转移中,用预处理好的cost来简化:
将s[l1..r1]的某一段s[l1..k]合并成一个字符ch,然后匹配t[l2],代价为cost[l1][k][ch] + (ch==t[l2]?0:c_r) + dp[k+1][r1][l2+1][r2]。
但这样仍然较复杂。常见简化是:不显式记录合并,而是允许“相邻相同合并”作为一步操作,在区间 DP 中,如果 s[i] == s[i+1],则可以合并,代价为 c_m,合并成的新字符可以任意(通过额外替换代价调整)。
步骤 4:简化版解法(假设合并只合并相邻相同字符,且合并后字符与原字符相同)
假设合并操作只能将两个相同字符合并为相同字符(如 aa -> a),这样合并不会改变字符种类。
则合并相当于一种删除(删掉一个相同字符),但代价是 c_m 不是 c_d。
此时问题退化为普通编辑距离,但多了一种操作“合并相邻相同字符”,代价为 c_m。
定义 dp[i][j][a][b] 为将 s[i..j] 变成 t[a..b] 的最小代价。
转移:
- 删除
s[i]:c_d + dp[i+1][j][a][b]。 - 插入
t[a]在开头:c_i + dp[i][j][a+1][b]。 - 替换
s[i]为t[a]:c_r*(s[i]!=t[a]) + dp[i+1][j][a+1][b]。 - 如果
i+1 <= j且s[i] == s[i+1],则可以合并这两个字符(保留一个,删除另一个),代价为c_m + dp[i+1][j][a][b]。
但这里合并后字符不变,所以相当于删掉一个相同字符,代价 c_m。
这样可以在普通编辑距离上稍作修改。
步骤 5:最终算法框架(假设合并后字符可不同,但需额外替换)
我们可以用记忆化搜索实现:
dfs(i, j, a, b) 表示将 s[i..j] 变成 t[a..b] 的最小代价。
转移:
- 如果
a > b且i > j,返回 0。 - 如果
a > b但i <= j,则需删除s[i..j]全部,代价为(j-i+1)*c_d或通过合并减少代价。 - 如果
i > j但a <= b,则需插入t[a..b]全部,代价为(b-a+1)*c_i。 - 否则,考虑操作:
- 删除
s[i]:c_d + dfs(i+1, j, a, b)。 - 插入
t[a]:c_i + dfs(i, j, a+1, b)。 - 替换
s[i]为t[a]:c_r*(s[i]!=t[a]) + dfs(i+1, j, a+1, b)。 - 合并:枚举
k从i到j-1,如果s[k] == s[k+1],则可以合并,新字符任意,设合并后字符为ch,则:
代价 =c_m + (ch==t[a]?0:c_r) + dfs(新序列, a+1, b)。
但“新序列”是去掉s[k+1]并将s[k]改为ch的序列。这需要改变字符串,不易直接 DP。
- 删除
为了可计算,我们可以增加状态维度,记录当前 s[i..j] 的第一个字符是否是通过合并得到的。但这会变得很复杂。
竞赛中常见简化:
将“合并相邻相同字符”视为一种删除,代价为 c_m,但合并后字符不变。这样就可直接用普通编辑距离 DP 加上合并转移。
总结
这个问题是编辑距离的扩展,难点在于合并操作会改变字符且减少长度,导致状态转移复杂。
完整解法需要先预处理 cost[i][j][ch],再用区间 DP 匹配到 t。
如果题目限制合并后字符必须与原字符相同,则问题简化为带合并删除操作的编辑距离,可用四维 DP 解决。
如果合并后字符可任意,则需增加字符维度,代价是状态数增加。
由于题目通常 n, m ≤ 20 或 30,四维 DP 加字符维度(26)在时间复杂度 O(n^2 * m^2 * 26) 可接受。