好的,我已仔细核对历史列表。我们来看一个在“区间动态规划”领域非常重要且未出现在你已列出的题目中的经典问题。
题目:多边形三角剖分的最低得分问题
题目描述:
给定一个凸多边形,其顶点按顺时针顺序标记为 A[0], A[1], ..., A[n-1]。这个多边形的 n 条边用顶点序列 (A[i], A[(i+1) % n]) 表示。
多边形的 三角剖分 是指通过不相交的对角线将多边形划分为 n-2 个三角形。三角剖分的 得分 定义为所有 n-2 个三角形的 “权重” 之和。每个三角形的权重是其三个顶点的乘积。
给定一个整数数组 values,其中 values[i] 是顶点 A[i] 的值。对于由顶点 A[i], A[j], A[k] 组成的三角形,其权重为 values[i] * values[j] * values[k]。
你的任务是找出给定凸多边形进行三角剖分所能得到的 最低总分。
示例 1:
输入:values = [1, 2, 3]
输出:6
解释:多边形已经是三角形,无需剖分,得分就是它自身的权重:1 * 2 * 3 = 6。
示例 2:
输入:values = [3, 7, 4, 5]
输出:144
解释:有两种剖分方式。
方式1:连接对角线 (0, 2),得到三角形 (0, 1, 2) 和 (0, 2, 3)。得分 = 3*7*4 + 3*4*5 = 84 + 60 = 144。
方式2:连接对角线 (1, 3),得到三角形 (0, 1, 3) 和 (1, 2, 3)。得分 = 3*7*5 + 7*4*5 = 105 + 140 = 245。
所以最低得分是 144。
示例 3:
输入:values = [1, 3, 1, 4, 1, 5]
输出:13
解释:一种最优剖分是连接对角线 (0, 2), (0, 4), (2, 4)。对应的三角形为 (0,1,2), (0,2,4), (2,3,4), (0,4,5)。得分计算后为13。
循序渐进解题过程
第一步:理解问题与建立直觉
- 凸多边形:意味着任意两点之间的连线都在多边形内部。这使得“不相交的对角线”的划分总是可行的,并且一个对角线会将多边形分成两个更小的凸多边形。
- 三角剖分:一个
n边形,需要n-3条对角线才能形成n-2个三角形。 - 动态规划切入点:如果我们选择多边形的一条边
(i, j)作为三角形的一条边,那么三角形的第三个顶点k必须在i和j之间(按顶点顺序)。这个三角形(i, k, j)会将原多边形分成三部分:- 三角形
(i, k, j)本身。 - 子多边形
[i, i+1, ..., k](顶点数 ≥ 3)。 - 子多边形
[k, k+1, ..., j](顶点数 ≥ 3)。
- 三角形
- 最优子结构:整个多边形的最优剖分,必然包含某个三角形
(i, k, j),且对于其划分出的两个子多边形,各自内部的剖分也必然是最优的。否则,我们可以用更优的子剖分替换掉原来的,从而得到更优的整体剖分。
第二步:定义状态
我们定义动态规划状态 dp[i][j]:
- 含义:表示从顶点
i到顶点j按顺时针方向形成的 凸子多边形 进行三角剖分所能得到的最低得分。 - 范围:
i和j是多边形的顶点索引。对于一个n边形,我们通常考虑0 <= i < j < n。但为了形成有效的子多边形,顶点数必须至少为3,即j - i >= 2。 - 初始状态:当子多边形只有两个顶点(即一条边,
j - i == 1)时,无法形成三角形,其得分应为0。当子多边形恰好是三角形(j - i == 2)时,无法再进行对角线划分,其得分就是这个三角形的权重values[i] * values[i+1] * values[j]。
第三步:推导状态转移方程
考虑子多边形 [i, i+1, ..., j]。
- 如果
j - i < 2,它是边或点,dp[i][j] = 0。 - 如果
j - i == 2,它是三角形,dp[i][j] = values[i] * values[i+1] * values[j]。 - 如果
j - i > 2,它是一个边数大于3的凸多边形。我们需要找到它的最优剖分。- 关键思想:选择三角形的中间顶点
k。 - 我们选择顶点
k,其中i < k < j。以边(i, j)为基础,连接(i, k)和(k, j),这样我们就用三角形(i, k, j)将这个子多边形划分成了三个部分:- 三角形
(i, k, j),其权重为w(i, k, j) = values[i] * values[k] * values[j]。 - 左子多边形
[i, i+1, ..., k],其最优得分为dp[i][k]。 - 右子多边形
[k, k+1, ..., j],其最优得分为dp[k][j]。
- 三角形
- 那么,以
k作为划分点的总得分就是:dp[i][k] + dp[k][j] + w(i, k, j)。 - 我们需要尝试所有可能的
k(i < k < j),取其中的最小值作为dp[i][j]的值。
- 关键思想:选择三角形的中间顶点
因此,状态转移方程为:
对于 j - i >= 2,
dp[i][j] = min( dp[i][k] + dp[k][j] + values[i] * values[k] * values[j] ),其中 k 从 i+1 遍历到 j-1。
特殊情况:当 j - i == 2 时,只有一个 k (即 i+1),且 dp[i][i+1] 和 dp[i+1][j] 都为0,方程简化为 values[i]*values[i+1]*values[j],与我们的基础情况一致。
第四步:确定计算顺序
观察状态转移方程 dp[i][j] 依赖于 dp[i][k] 和 dp[k][j],其中 i < k < j。这意味着 dp[i][k] 和 dp[k][j] 对应的子多边形都比 dp[i][j] 对应的子多边形要“小”(区间长度更短)。
因此,我们必须按照区间长度 len = j - i 从小到大的顺序来计算 dp 表。
len = 2:对应三角形,直接计算。len = 3:对应四边形,依赖于len=2的结果。len = 4:对应五边形,依赖于len=2和len=3的结果。- ...
len = n-1:对应整个n边形,这是我们最终要求解的dp[0][n-1]。
第五步:算法实现与示例推演
以 values = [3, 7, 4, 5] 为例 (n=4)。
- 初始化
dp表为n x n的二维数组,初始值设为0。 - 计算
len=2(三角形):dp[0][2] = values[0]*values[1]*values[2] = 3*7*4 = 84dp[1][3] = values[1]*values[2]*values[3] = 7*4*5 = 140dp[2][4]无效,因为索引从0到3。
- 计算
len=3(四边形,即整个多边形dp[0][3]):i=0, j=3,需要遍历k=1, 2。k=1: 得分 =dp[0][1] + dp[1][3] + values[0]*values[1]*values[3] = 0 + 140 + 3*7*5 = 0+140+105=245k=2: 得分 =dp[0][2] + dp[2][3] + values[0]*values[2]*values[3] = 84 + 0 + 3*4*5 = 84+0+60=144dp[0][3] = min(245, 144) = 144
最终结果 dp[0][n-1] = dp[0][3] = 144。
第六步:复杂度分析
- 时间复杂度:状态数为 O(n²),对于每个状态
dp[i][j],我们需要遍历O(j-i)个k。因此总的时间复杂度为 O(n³)。 - 空间复杂度:我们使用了一个
n x n的二维数组,因此空间复杂度为 O(n²)。
第七步:关键点与总结
- 核心思想:将大凸多边形的最优剖分,分解为选择一个“中间顶点”构成三角形后,左右两个更小凸多边形的最优剖分。
- 状态定义:
dp[i][j]表示从顶点i到j的子多边形的最优得分。这是区间DP的典型定义。 - 计算顺序:务必按照区间长度递增的顺序计算,确保在计算大区间时,其所依赖的所有小区间都已被计算出来。
- 边界处理:当子多边形是三角形时,得分固定;当子多边形是边时,得分为0。
这个问题是区间DP解决最优划分问题的经典范例,其思路可以迁移到许多其他类似的最优分割、最优组合问题上。