好的,我注意到在您提供的已讲题目列表中,“带权重的字符串交织问题(加权交织)”出现过,但其具体变体如“给定三个字符串的加权交织问题”或更精确的约束可能未被深入探讨。我将基于此构思一个更具象的题目,确保其核心在“区间DP”与“加权交织”上,且不与列表中的具体描述完全重复。
三个字符串的加权交织问题
题目描述
给定三个字符串 A、B 和 C,长度分别为 n, m, l。我们称字符串 C 是 A 和 B 的一个 交织,如果 C 可以通过从 A 和 B 中交替取出字符(保持各自在 A 和 B 中的原始顺序)来构造。例如,若 A = “ab”, B = “cd”,则 “acbd”、“cabd” 都是有效的交织。
现在,我们为这个交织过程定义一个 成本。每次从 A 或 B 中取出一个字符拼接到正在构建的字符串时,都会产生一个代价:
- 如果从
A中取出字符A[i],代价为costA[i]。 - 如果从
B中取出字符B[j],代价为costB[j]。
此外,整个交织过程的总成本 并不是所有取字符代价的简单求和。当连续从 同一个字符串 中取出多个字符时,这些连续字符的代价会被相乘,然后再与其他段落的代价相加。更形式化地定义:
- 将
A和B中取出的字符序列混合成C的过程,自然地将A分成了几个连续的段落(B同理),每个段落对应一次从该字符串连续取字符的操作。 - 对于一个来自
A的连续段落,假设它包含了字符A[p], A[p+1], ..., A[q],那么这个段落的成本是costA[p] * costA[p+1] * ... * costA[q](即这些位置代价的乘积)。 - 同样,对于
B中的连续段落,成本是其对应costB位置代价的乘积。 - 整个交织
C的总成本是A的所有连续段落成本与B的所有连续段落成本的总和。
你的任务是:判断 C 是否是 A 和 B 的一个交织,如果是,计算出构造 C 的所有可能交织方式中的 最小总成本;如果不是,则返回一个特定值(例如 -1)。
输入:
- 字符串
A,B,C。 - 数组
costA(长度n),costB(长度m)。 - 所有代价都是正整数。
输出:
- 如果
C不是A和B的交织,返回-1。 - 否则,返回最小总成本。
示例:
A = “ab”, B = “cd”, C = “acbd”
costA = [2, 3], costB = [1, 4]
可能的交织方式:
- 取
A[0]('a', cost=2)-> 取B[0]('c', cost=1)-> 取A[1]('b', cost=3)-> 取B[1]('d', cost=4)。- A段落1:
[2],成本=2 - B段落1:
[1],成本=1 - A段落2:
[3],成本=3 - B段落2:
[4],成本=4 - 总成本 = 2 + 1 + 3 + 4 = 10
- A段落1:
- 取
B[0]('c', cost=1)-> 取A[0]('a', cost=2)-> 取B[1]('d', cost=4)-> 取A[1]('b', cost=3)。- B段落1:
[1],成本=1 - A段落1:
[2],成本=2 - B段落2:
[4],成本=4 - A段落2:
[3],成本=3 - 总成本 = 1 + 2 + 4 + 3 = 10
- B段落1:
- 取
A[0]('a', cost=2)-> 取A[1]('b', cost=3)-> 取B[0]('c', cost=1)-> 取B[1]('d', cost=4)。- A段落1:
[2, 3],成本=2*3=6 - B段落1:
[1, 4],成本=1*4=4 - 总成本 = 6 + 4 = 10
- A段落1:
最小成本是 10。
解题过程循序渐进讲解
这个问题的难点在于成本的计算方式:连续取自同一字符串的字符,代价需要相乘。这意味着我们需要在动态规划的状态中,记录“最后一段”是取自哪个字符串,以及这段的“累积乘积”是多少,或者更聪明地设计转移。
核心思路:我们依然可以用区间DP来判断 C 是否由 A 和 B 交织而成,但需要扩展状态来维护成本。标准的交织判断DP状态是 dp[i][j] 表示 A 的前 i 个字符和 B 的前 j 个字符是否能交织成 C 的前 i+j 个字符。
为了计算最小成本,我们将状态定义为:
dp[i][j][k] 表示用 A 的前 i 个字符和 B 的前 j 个字符,交织成 C 的前 (i+j) 个字符,且最后一段连续字符取自字符串 k 时的最小总成本。其中 k=0 表示最后一段来自 A,k=1 表示最后一段来自 B。如果无法交织,则值为无穷大 (INF)。
为什么这样定义?因为当我们新增一个字符时:
- 如果新增的字符与最后一段来自同一个字符串,那么它扩展了最后一段,成本增加的方式是乘积(需要将之前段落的成本减去旧的段落乘积,加上新的段落乘积)。
- 如果来自另一个字符串,那么它开启一个新段落,成本是简单加法。
直接这样计算乘积会很复杂。一个更优雅的技巧是:我们不直接存储“总成本”,而是存储一个结构体,包含:
cost:当前配置下的最小总成本。last_seg_cost_A:如果最后一段来自A,这段的乘积是多少;如果最后一段来自B,这个值无意义(设为1)。last_seg_cost_B:如果最后一段来自B,这段的乘积是多少;如果最后一段来自A,这个值无意义(设为1)。
但实现起来状态转移方程会非常冗长。一个更简洁、标准的解法是采用 “分段贡献”思想 的DP。
第一步:状态定义与初始化
我们定义 dp[i][j] 表示用 A 的前 i 个字符和 B 的前 j 个字符,交织成 C 的前 (i+j) 个字符的 最小总成本。注意,这里的“总成本”是在我们定义的乘法规则下的。
关键转移逻辑:
当我们考虑 dp[i][j] 时,C 的第 (i+j) 个字符(即 C[i+j-1])必然来自 A[i-1] 或 B[j-1]。
- 如果来自
A[i-1]:- 那么,在形成
C[0...i+j-2]的某个最优交织方案中,它的最后一个字符可能也来自A,也可能来自B。 - 如果上一个字符也来自
A(即我们扩展了A的一个连续段落):
假设形成C[0...i+j-2]的方案是dp[i-1][j],并且它恰好也是以A结尾。
那么新字符A[i-1]加入后,A的这个连续段落的成本会从old_product变为old_product * costA[i-1]。
总成本的变化是:(old_product * costA[i-1]) - old_product。
但是,dp[i-1][j]里只记录了总成本,没有记录old_product!所以我们需要额外信息。
- 那么,在形成
因此,我们必须将“最后一段的乘积”纳入状态。这是此类问题的常见处理方式。
重新定义状态:
dp[i][j][t],其中 t 取 0 或 1。
dp[i][j][0]:用A的前i个字符和B的前j个字符交织成C的前i+j个字符,且最后一个字符来自A的最小总成本。dp[i][j][1]:同上,但最后一个字符来自B。
初始化:
dp[0][0][0] = dp[0][0][1] = 0(空字符串,成本为0)。- 其他所有
dp[i][j][t]初始化为INF(一个很大的数,表示不可能状态)。
第二步:状态转移方程推导
我们需要填充 dp[i][j][t],其中 i 从 0 到 n,j 从 0 到 m,且 i+j > 0。
情况1:最后一个字符来自 A,即我们想计算 dp[i][j][0]。
前提条件:i > 0 且 C[i+j-1] == A[i-1]。
这个字符 A[i-1] 是如何被加入的呢?有两种子情况:
- 它延续了上一个来自
A的段落:那么上一个状态是dp[i-1][j][0](用了A的前i-1个和B的前j个,且以A结尾)。
在状态dp[i-1][j][0]中,其总成本已经包含了以A[i-2]结尾的那个段落的成本(假设是P)。现在加入了A[i-1],这个段落的成本变成了P * costA[i-1]。
因此,新的总成本 = 旧总成本 -P+ (P * costA[i-1])。
但是,我们不知道P是多少!所以我们需要在状态里记录以当前结尾字符所在的连续段落的乘积,而不仅仅是总成本。这导致了状态的进一步扩充,变得非常复杂。
技巧点:我们可以改变计算总成本的方式。与其在状态中维护“总成本”,不如维护 “到此为止,所有已完成的段落的成本之和”。
但这样还是需要知道当前活跃段落的乘积。一个经典的优化是:将乘法转化为对数的加法,但这里要求最小化乘积和,取对数后问题性质改变,并非简单求和最小化。
标准且正确的DP设计:
我们定义 dp[i][j][k] 表示用 A 的前 i 个字符和 B 的前 j 个字符交织成 C 的前 i+j 个字符,且最后连续取了 len 个字符来自字符串 k 时的最小总成本。其中 len 可以从 1 到 i (如果 k=0) 或到 j (如果 k=1)。但这会使状态呈立方级,开销太大。
更优的方案:我们意识到,对于 dp[i][j][0],其值只可能从 dp[i-1][j][0] 或 dp[i-1][j][1] 转移而来。
- 如果从
dp[i-1][j][0]转移(延续段落):
dp[i][j][0] = min(dp[i][j][0], dp[i-1][j][0] - costA[i-2] + (costA[i-2] * costA[i-1]))
等等,这不对!dp[i-1][j][0]的总成本里包含了costA[i-2]所在段落的整个乘积,而不仅仅是costA[i-2]。假设A中从位置p到i-2是一个连续段落,其乘积是Q。那么dp[i-1][j][0]的总成本里包含了Q。加入A[i-1]后,这个段落的乘积变成Q * costA[i-1]。所以新成本 = 旧成本 -Q+Q*costA[i-1]= 旧成本 +Q*(costA[i-1] - 1)。
我们仍然不知道Q。
突破口:我们换一种状态定义。定义 f[i][j] 和 g[i][j]。
f[i][j]:用A的前i个和B的前j个交织成C的前i+j个,且当前正在构建一个来自A的连续段落的最小总成本。这里“正在构建”意味着最后一个字符来自A,并且这个段落可能还没结束(即下一个字符可能还来自A)。但我们只关心到C[i+j-1]为止的成本。g[i][j]:类似,但当前正在构建一个来自B的连续段落。
但这和之前的问题一样,不知道当前段落的累积乘积。
最终可行的DP方案(经过思考和归纳):
我们定义两个状态数组:
dpA[i][j]:用A的前i个和B的前j个交织成C的前i+j个,并且最后一段(可以长度为1)是来自A的一个完整段落的最小总成本。dpB[i][j]:类似,最后一段来自B。
“完整段落”是什么意思?它意味着当我们处于状态 (i, j) 时,字符 C[i+j-1] 是来自 A 的,并且它要么是这一段 A 的唯一字符,要么是这一段 A 的最后一个字符(即如果它有前驱,前驱也来自 A,但当我们用 dpA[i][j] 表示时,我们认为这个段落结束了,或者说,我们在这个状态下记录了“以这个段落结束”的成本)。
那么转移方程可以这样建立:
对于 dpA[i][j] (要求 i>0 且 C[i+j-1]==A[i-1]):
它表示我们最后取了一个来自 A 的段落,这个段落包含了 A[i-1]。这个段落可能有多长,假设它从 A[p] 开始,到 A[i-1] 结束(0 <= p <= i-1)。那么,在取这个段落之前,我们是用 A 的前 p 个和 B 的前 j 个交织成了 C 的前 p+j 个字符。而那个交织的最后一个字符可以来自 A 或 B(即可以用 dpA[p][j] 或 dpB[p][j] 的状态)。
因此:
dpA[i][j] = min( over p from 0 to i-1 ) {
min(dpA[p][j], dpB[p][j]) + (costA[p] * costA[p+1] * ... * costA[i-1])
}
其中 (costA[p] * ... * costA[i-1]) 就是最后这个 A 段落的成本(乘积)。
注意,当 p = i-1 时,这个段落只有一个字符,成本就是 costA[i-1]。
同理,对于 dpB[i][j] (要求 j>0 且 C[i+j-1]==B[j-1]):
dpB[i][j] = min( over q from 0 to j-1 ) {
min(dpA[i][q], dpB[i][q]) + (costB[q] * costB[q+1] * ... * costB[j-1])
}
初始化:
dpA[0][0] = 0? 不对,dpA[0][0] 表示用了0个A,0个B,最后一段来自A,这是不可能的(因为没有A的字符),应该设为 INF。我们需要一个起始状态。
我们可以引入一个虚拟的“开始”状态,或者将 dpA[0][0] 和 dpB[0][0] 视为0,但这样在转移 p=0 时,min(dpA[0][j], dpB[0][j]) 如果来自 dpA[0][0],意味着在取A段落之前是空字符串,这是合理的,成本就是那个A段落的乘积。
所以,我们初始化:
dpA[0][0] = 0, dpB[0][0] = 0。其他 dpA[i][j], dpB[i][j] 初始为 INF。
但是注意,dpA[0][j] (j>0) 表示用了0个A,j个B,最后一段却是A,这不可能,所以应为 INF。dpB[i][0] 同理。
第三步:算法实现与优化
直接按照上述转移,时间复杂度是 O(n^2 * m + n * m^2),对于字符串长度几百是可以接受的。我们需要预处理 A 和 B 的代价前缀积,以便 O(1) 计算任意区间的乘积。
设 prodA[i] = costA[0] * costA[1] * ... * costA[i-1],prodA[0]=1。
那么 costA[p] * ... * costA[i-1] = prodA[i] / prodA[p]。
由于代价是正整数,除法是精确的(在编程中为避免浮点误差,我们通常用乘法:prodA[i] / prodA[p] 在整数运算下成立)。
prodB 同理。
算法步骤:
- 检查长度:若
n + m != l,直接返回-1。 - 预处理
prodA,prodB。 - 初始化
dpA,dpB为INF的二维数组,大小为(n+1) x (m+1)。 - 初始化
dpA[0][0] = 0,dpB[0][0] = 0。 - 循环
i从0到n,j从0到m:- 如果
i+j == 0,继续。 - 计算
dpA[i][j](如果i>0且C[i+j-1] == A[i-1]):
这个检查使得算法更复杂。实际上,更常见的区间DP写法是采用不同的循环顺序。dpA[i][j] = INF for p from 0 to i-1: if C[p+j] == A[i-1]? 不对,我们需要确保从 p 到 i-1 的字符都对应到 C 的相应位置。这里 p 是 A 的起始索引。 实际上,这个循环的 p 表示:在取 A[p..i-1] 这个段落之前,我们已经用 A[0..p-1] 和 B[0..j] 构成了 C 的前 p+j 个字符。 所以我们需要检查的是:A[p..i-1] 这个子串是否与 C[p+j .. i+j-1] 这个子串相等?因为我们是交织,A的字符在C中的相对顺序不变。但在这个DP中,当我们固定 i, j, p 时,C 中对应 A[p..i-1] 的位置是确定的:就是从第 (p+j+1) 个到第 (i+j) 个字符(1-based)。所以我们需要检查 A[p..i-1] 是否等于 C[p+j .. i+j-1](0-based)。 这太复杂了,每次都要检查子串相等。但我们可以利用交织的性质:我们是从前向后构建 C 的,所以当我们尝试用 A[p..i-1] 作为最后一段时,我们必须保证对于所有 t 从 0 到 i-p-1,有 A[p+t] == C[(p+j)+t]。这可以在循环中逐步判断。
- 如果
标准区间DP实现思路(更清晰):
我们定义 dp[i][j] 表示 将 A 的前 i 个字符和 B 的前 j 个字符交织成 C 的前 i+j 个字符的最小总成本。但在转移时,我们不是枚举段落的起点,而是考虑 最后一个字符的来源以及它是否开启新段落。
我们可以增加一维 k 表示最后一个字符来自哪个字符串(0为A,1为B),但依然需要知道当前段落的累积乘积。为此,我们再增加一维 l 表示当前这个连续段落的长度(针对当前字符串)。但这样状态是 O(n * m * n) 太大。
最终,一个可行且时间复杂度可接受的方案是使用我第二次提出的 dpA/dpB 定义,但配合子串匹配的预处理。
我们可以预处理一个数组 matchA[i][j],表示 A[i..j] 是否恰好匹配 C 的某个连续子串(考虑到交织,这个子串在C中的起始位置不固定,所以这个预处理不直接)。
但我们可以换个角度:在计算 dpA[i][j] 时,我们枚举段落起点 p,并同时检查从 p 到 i 的 A 的字符是否依次匹配 C 中从 p+j 开始的字符。因为 C 的前 p+j 个字符由 A[0..p-1] 和 B[0..j] 交织而成,所以 C 的第 p+j+1 到 i+j 个字符应该就是 A[p..i-1]。
因此,算法可以这样写:
for i from 0 to n:
for j from 0 to m:
if i+j == 0:
dpA[i][j] = dpB[i][j] = 0
continue
dpA[i][j] = INF
if i > 0 and C[i+j-1] == A[i-1]:
// 枚举段落起点 p
prod = costA[i-1]
for p from i-1 down to 0:
// 检查 A[p..i-1] 是否连续匹配 C[p+j .. i+j-1]
// 因为p从i-1递减,我们可以边循环边检查
if A[p] != C[p+j]:
break // 一旦不匹配,更小的p也不可能匹配,因为顺序必须一致
// 如果 p < i-1,我们还需要检查中间部分,但由于p递减,我们只检查当前字符A[p]和C[p+j]。
// 实际上,我们需要确保对于所有 t in [p, i-1], A[t]==C[t+j]。我们可以在循环中从i-1到p检查,但这里从p到i-1检查更方便。
// 我们换一种方式:从 p = i-1 开始,然后 p--,每次将 A[p] 加入段落。这样,我们只需要在每一步检查 A[p] == C[p+j] 即可。
// 所以下面的循环是正确的:
// for p from i-1 down to 0:
// if A[p] != C[p+j]: break
// // 此时段落 A[p..i-1] 是有效的
// base_cost = min(dpA[p][j], dpB[p][j]) // 注意,这里用的是 dpA[p][j] 和 dpB[p][j],不是 dpA[p][j] 和 dpB[p][j]
// seg_cost = prod // 这是 A[p..i-1] 的乘积
// dpA[i][j] = min(dpA[i][j], base_cost + seg_cost)
// if p > 0:
// prod *= costA[p-1] // 因为 p 向左移动,将 A[p-1] 加入乘积
// 但注意,prod 初始应该是 costA[i-1],当 p 变成 i-2 时,我们要乘 costA[i-2],所以我们需要从 i-1 开始累积乘积。
// 正确循环:
prod_seg = 1
valid = true
for t from p to i-1:
if A[t] != C[t+j]:
valid = false
break
prod_seg *= costA[t]
if not valid:
break // 因为p递减,一旦不匹配,对于更小的p,由于包含当前p,也会不匹配,所以可以break
base = min(dpA[p][j], dpB[p][j])
dpA[i][j] = min(dpA[i][j], base + prod_seg)
// 类似计算 dpB[i][j],枚举 q 从 j-1 到 0,检查 B[q..j-1] 是否匹配 C[i+q .. i+j-1]
这样,对于每个 (i, j),计算 dpA 需要 O(i) 时间,dpB 需要 O(j) 时间。总时间复杂度 O(n^2 m + n m^2)。在 n, m <= 200 时可行。
第四步:最终答案与边界处理
最终,如果 C 是 A 和 B 的交织,那么答案应该是 min(dpA[n][m], dpB[n][m])。
如果两者都是 INF,则返回 -1。
示例演算:
A=“ab”, B=“cd”, C=“acbd”, costA=[2,3], costB=[1,4]。
dpA[1][0]: i=1,j=0。检查 p=0: A[0]=='a'==C[0],段落乘积=2,base=min(dpA[0][0],dpB[0][0])=0,所以dpA[1][0]=2。dpB[0][1]: i=0,j=1。检查 q=0: B[0]=='c'==C[0],段落乘积=1,base=0,所以dpB[0][1]=1。dpA[1][1]: i=1,j=1。C[1]=='c' != A[0],所以dpA[1][1]=INF。dpB[1][1]: i=1,j=1。C[1]=='c' == B[0]? 需要检查 B[q..0] 匹配 C[1+q..1]。q只能为0:检查 B[0]=='c'==C[1]=='c',乘积=1,base=min(dpA[1][0],dpB[1][0])。dpA[1][0]=2, dpB[1][0]=INF,所以base=2。dpB[1][1]=2+1=3。- ... 最终计算
dpA[2][2]和dpB[2][2],取最小值得 10。
这个算法能够正确计算出示例的结果。
总结:
这道题在经典字符串交织判断问题上,增加了复杂的段落成本乘积规则,使得状态转移需要枚举当前段落的起点,并检查字符匹配。通过定义 dpA[i][j] 和 dpB[i][j] 为以 A 或 B 段落结束的最小成本,并枚举该段落的起点进行转移,可以有效地解决问题。虽然时间复杂度较高,但思路清晰,体现了区间DP中处理“连续段”成本的典型方法。