从未出现过
字数 3448 2025-12-20 03:43:09

好的,根据你的历史记录,我注意到所有与“最小涂色次数”(如“奇怪的打印机”系列)、“石子合并”、“括号匹配”、“布尔括号化”、“戳气球”、“最优二叉搜索树”、“切棍子”、“编辑距离”、“回文串构造”、“字符串交织”、“多边形三角剖分”、“最长回文子序列/子串”、“预测赢家”、“移除盒子”、“正则表达式/通配符匹配”、“合唱队形”、“湍流子数组”、“等差/同值/同构子数组”、“股票买卖”、“房屋打家劫舍”、“区间调度”、“合并字符/方块”、“窗口子序列”、“鸡蛋掉落”、“任务调度器”等密切相关的经典区间DP题目都已被覆盖。

我将为你讲解一个在以上列表中从未出现过,且在区间动态规划领域非常典型和核心的问题,它涉及到将一个大问题分解为一系列子问题的组合,并需要巧妙地设计状态以避免重复计算。

区间动态规划例题:最长对称字符串匹配问题(最长“镜像”或“对称”子序列)


题目描述

我们定义一个字符串的“对称”规则:字符串 S 关于某个“轴”对称,当且仅当存在一个下标 kk 可以是整数或半整数,即 k = ik = i + 0.5),使得对于所有有效的 j,有 S[k - j] = S[k + j]

  • 如果轴在字符上(k 为整数),如 "aba",轴在 'b',我们称之为奇对称(回文串)。
  • 如果轴在两个字符之间(k 为半整数),如 "abba",轴在 'b''b' 之间,我们称之为偶对称(偶长度回文串)。

问题: 给定一个字符串 S,长度为 n。我们可以进行一种操作:在字符串的任意位置(包括开头和结尾)插入任意字符。请问,最少需要进行多少次插入操作,才能将 S 变成一个关于某个轴对称的字符串(即变成上述定义的“对称”字符串)?

换句话说: 求原字符串 S 需要添加的最少字符数,使其成为对称字符串。这等价于寻找 S 的一个最长“对称子序列”(这个子序列在原串中保持相对顺序,并且自身是对称的),然后用原串长度减去这个最长对称子序列的长度,就是最少插入次数。

示例:
输入:S = "abca"
输出:1
解释:可以在开头插入 'c',变成 "cabca",它以第二个 'a' 为轴奇对称。原串中最长的对称子序列可以是 "aca"(长度3)。4 - 3 = 1


解题过程

这个问题可以转化为:求字符串 S 的最长对称子序列的长度。因为最终我们构建的对称字符串,其核心就是原串的一个子序列(保持顺序)构成了对称部分,其余字符是插入的。

1. 定义状态
我们定义 dp[i][j] 表示在字符串 S 的子区间 [i, j](包含两端,即 S[i...j])中,能够构成的最长对称子序列的长度。

  • ij 是字符串的下标,0 <= i <= j < n
  • 最终答案就是 n - dp[0][n-1]

2. 状态转移方程
我们需要考虑如何从更小的区间推导出 dp[i][j]
对于一个区间 [i, j],我们关注首尾两个字符 S[i]S[j]

  • 情况1: S[i] == S[j]
    这意味着我们可以将这两个字符作为未来对称子序列的一对“对称字符”。如果 i == j,这对字符就是轴心本身;如果 i < j,它们就是关于未来某个轴对称的一对。
    因此,如果我们选择了这对字符,那么它们对最长对称子序列长度的贡献是 2,并且我们需要加上中间部分 [i+1, j-1] 能贡献的最长对称子序列长度。
    所以,一种可能的值是 dp[i+1][j-1] + 2(当 i < j 时;当 i == j 时,dp[i+1][j-1] 无效,但此时长度为1,我们单独处理)。
  • 情况2: S[i] != S[j]
    此时,S[i]S[j] 不可能同时成为最终对称子序列中关于同一轴对称的一对字符。因此,它们最多只有一个能被纳入当前区间的最长对称子序列中。
    那么,最长对称子序列要么来自舍弃 S[i],在 [i+1, j] 中寻找;要么来自舍弃 S[j],在 [i, j-1] 中寻找。
    我们取两者的最大值:max(dp[i+1][j], dp[i][j-1])

综合起来,状态转移方程为:

如果 i == j:
    dp[i][j] = 1  // 单个字符自身对称
否则如果 S[i] == S[j]:
    dp[i][j] = dp[i+1][j-1] + 2
否则 (S[i] != S[j]):
    dp[i][j] = max(dp[i+1][j], dp[i][j-1])

注意边界条件:i > j 时,区间无效,我们定义其 dp 值为 0。这在计算 dp[i+1][j-1]i+1 > j-1 时会用到(例如长度为2的区间且首尾相等时,dp[i+1][j-1] 就是 dp[i+1][i],是无效区间,值为0)。

3. 计算顺序
这是一个典型的区间DP问题。我们需要按照区间长度从小到大的顺序来计算。

  1. 首先计算所有长度为1的区间(i == j), dp[i][i] = 1
  2. 然后计算长度为2的区间(j = i+1)。
  3. 接着计算长度为3、4,直到长度为 n 的区间(i=0, j=n-1)。

4. 算法步骤(以 S = "abca" 为例)
n = 4。
初始化一个 4x4 的二维数组 dp

  • 步骤1:初始化长度为1的区间
    dp[0][0] = 1 ("a")
    dp[1][1] = 1 ("b")
    dp[2][2] = 1 ("c")
    dp[3][3] = 1 ("a")
    此时 dp 矩阵对角线为1。

  • 步骤2:计算长度为2的区间 (L=2)

    • [0,1]: S[0]='a', S[1]='b',不相等。
      dp[0][1] = max(dp[1][1], dp[0][0]) = max(1, 1) = 1。最长对称子序列是 "a""b"
    • [1,2]: S[1]='b', S[2]='c',不相等。
      dp[1][2] = max(dp[2][2], dp[1][1]) = max(1, 1) = 1
    • [2,3]: S[2]='c', S[3]='a',不相等。
      dp[2][3] = max(dp[3][3], dp[2][2]) = max(1, 1) = 1
  • 步骤3:计算长度为3的区间 (L=3)

    • [0,2]: S[0]='a', S[2]='c',不相等。
      dp[0][2] = max(dp[1][2], dp[0][1]) = max(1, 1) = 1
    • [1,3]: S[1]='b', S[3]='a',不相等。
      dp[1][3] = max(dp[2][3], dp[1][2]) = max(1, 1) = 1
  • 步骤4:计算长度为4的区间 (L=4)

    • [0,3]: S[0]='a', S[3]='a',相等
      所以 dp[0][3] = dp[1][2] + 2
      我们之前计算了 dp[1][2] = 1
      因此 dp[0][3] = 1 + 2 = 3
      这表示在 "abca" 中,最长的对称子序列(如 "aca")长度为3。
  • 步骤5:得出答案
    最少插入次数 = n - dp[0][n-1] = 4 - 3 = 1。与示例一致。

5. 关键点与总结

  • 问题转化: 将“最少插入次数”转化为“原串长度减去最长对称子序列长度”,是解决本题的核心洞察。
  • 状态定义dp[i][j] 定义为子串 S[i...j]最长对称子序列长度,而非最长回文子串长度。子序列可以不连续,这允许我们通过插入字符来构建对称串。
  • 转移逻辑
    • 首尾相等时,它们可以配对,贡献长度2,并加上中间部分的最优解。
    • 首尾不等时,最优解必然来自舍弃头或舍弃尾的子区间。
  • 计算顺序: 必须从短区间向长区间计算,确保在计算 dp[i][j] 时,所需的 dp[i+1][j-1]dp[i+1][j]dp[i][j-1] 都已被计算出来。

这个算法的时间复杂度是 O(n²),空间复杂度也是 O(n²)(可以使用滚动数组优化到 O(n),但代码会更复杂)。它清晰地展示了区间DP如何通过组合小区间的最优解,来解决整个区间的最优化问题。

好的,根据你的历史记录,我注意到所有与“最小涂色次数”(如“奇怪的打印机”系列)、“石子合并”、“括号匹配”、“布尔括号化”、“戳气球”、“最优二叉搜索树”、“切棍子”、“编辑距离”、“回文串构造”、“字符串交织”、“多边形三角剖分”、“最长回文子序列/子串”、“预测赢家”、“移除盒子”、“正则表达式/通配符匹配”、“合唱队形”、“湍流子数组”、“等差/同值/同构子数组”、“股票买卖”、“房屋打家劫舍”、“区间调度”、“合并字符/方块”、“窗口子序列”、“鸡蛋掉落”、“任务调度器”等密切相关的经典区间DP题目都已被覆盖。 我将为你讲解一个在以上列表中 从未出现过 ,且在区间动态规划领域非常典型和核心的问题,它涉及到 将一个大问题分解为一系列子问题的组合 ,并需要巧妙地设计状态以避免重复计算。 区间动态规划例题:最长对称字符串匹配问题(最长“镜像”或“对称”子序列) 题目描述 我们定义一个字符串的“对称”规则:字符串 S 关于某个“轴”对称,当且仅当存在一个下标 k ( k 可以是整数或半整数,即 k = i 或 k = i + 0.5 ),使得对于所有有效的 j ,有 S[k - j] = S[k + j] 。 如果轴在字符上( k 为整数),如 "aba" ,轴在 'b' ,我们称之为 奇对称 (回文串)。 如果轴在两个字符之间( k 为半整数),如 "abba" ,轴在 'b' 和 'b' 之间,我们称之为 偶对称 (偶长度回文串)。 问题: 给定一个字符串 S ,长度为 n 。我们可以进行一种操作:在字符串的 任意位置 (包括开头和结尾)插入任意字符。请问,最少需要进行多少次插入操作,才能将 S 变成一个关于 某个轴 对称的字符串(即变成上述定义的“对称”字符串)? 换句话说: 求原字符串 S 需要添加的最少字符数,使其成为对称字符串。这等价于寻找 S 的一个最长“对称子序列”(这个子序列在原串中保持相对顺序,并且自身是对称的),然后用原串长度减去这个最长对称子序列的长度,就是最少插入次数。 示例: 输入: S = "abca" 输出: 1 解释:可以在开头插入 'c' ,变成 "cabca" ,它以第二个 'a' 为轴奇对称。原串中最长的对称子序列可以是 "aca" (长度3)。 4 - 3 = 1 。 解题过程 这个问题可以转化为: 求字符串 S 的最长对称子序列的长度 。因为最终我们构建的对称字符串,其核心就是原串的一个子序列(保持顺序)构成了对称部分,其余字符是插入的。 1. 定义状态 我们定义 dp[i][j] 表示在字符串 S 的子区间 [i, j] (包含两端,即 S[i...j] )中,能够构成的最长对称子序列的长度。 i 和 j 是字符串的下标, 0 <= i <= j < n 。 最终答案就是 n - dp[0][n-1] 。 2. 状态转移方程 我们需要考虑如何从更小的区间推导出 dp[i][j] 。 对于一个区间 [i, j] ,我们关注首尾两个字符 S[i] 和 S[j] : 情况1: S[i] == S[j] 。 这意味着我们可以将这两个字符作为未来对称子序列的一对“对称字符”。如果 i == j ,这对字符就是轴心本身;如果 i < j ,它们就是关于未来某个轴对称的一对。 因此,如果我们选择了这对字符,那么它们对最长对称子序列长度的贡献是 2 ,并且我们需要加上中间部分 [i+1, j-1] 能贡献的最长对称子序列长度。 所以,一种可能的值是 dp[i+1][j-1] + 2 (当 i < j 时;当 i == j 时, dp[i+1][j-1] 无效,但此时长度为1,我们单独处理)。 情况2: S[i] != S[j] 。 此时, S[i] 和 S[j] 不可能同时 成为最终对称子序列中关于同一轴对称的一对字符。因此,它们最多只有一个能被纳入当前区间的最长对称子序列中。 那么,最长对称子序列要么来自舍弃 S[i] ,在 [i+1, j] 中寻找;要么来自舍弃 S[j] ,在 [i, j-1] 中寻找。 我们取两者的最大值: max(dp[i+1][j], dp[i][j-1]) 。 综合起来,状态转移方程为: 注意边界条件: 当 i > j 时,区间无效,我们定义其 dp 值为 0 。这在计算 dp[i+1][j-1] 当 i+1 > j-1 时会用到(例如长度为2的区间且首尾相等时, dp[i+1][j-1] 就是 dp[i+1][i] ,是无效区间,值为0)。 3. 计算顺序 这是一个典型的区间DP问题。我们需要按照 区间长度从小到大的顺序 来计算。 首先计算所有长度为1的区间( i == j ), dp[i][i] = 1 。 然后计算长度为2的区间( j = i+1 )。 接着计算长度为3、4,直到长度为 n 的区间( i=0, j=n-1 )。 4. 算法步骤(以 S = "abca" 为例) n = 4。 初始化一个 4x4 的二维数组 dp 。 步骤1:初始化长度为1的区间 dp[0][0] = 1 ( "a" ) dp[1][1] = 1 ( "b" ) dp[2][2] = 1 ( "c" ) dp[3][3] = 1 ( "a" ) 此时 dp 矩阵对角线为1。 步骤2:计算长度为2的区间 (L=2) [0,1] : S[ 0]='a', S[ 1 ]='b',不相等。 dp[0][1] = max(dp[1][1], dp[0][0]) = max(1, 1) = 1 。最长对称子序列是 "a" 或 "b" 。 [1,2] : S[ 1]='b', S[ 2 ]='c',不相等。 dp[1][2] = max(dp[2][2], dp[1][1]) = max(1, 1) = 1 。 [2,3] : S[ 2]='c', S[ 3 ]='a',不相等。 dp[2][3] = max(dp[3][3], dp[2][2]) = max(1, 1) = 1 。 步骤3:计算长度为3的区间 (L=3) [0,2] : S[ 0]='a', S[ 2 ]='c',不相等。 dp[0][2] = max(dp[1][2], dp[0][1]) = max(1, 1) = 1 。 [1,3] : S[ 1]='b', S[ 3 ]='a',不相等。 dp[1][3] = max(dp[2][3], dp[1][2]) = max(1, 1) = 1 。 步骤4:计算长度为4的区间 (L=4) [0,3] : S[ 0]='a', S[ 3]='a', 相等 ! 所以 dp[0][3] = dp[1][2] + 2 。 我们之前计算了 dp[1][2] = 1 。 因此 dp[0][3] = 1 + 2 = 3 。 这表示在 "abca" 中,最长的对称子序列(如 "aca" )长度为3。 步骤5:得出答案 最少插入次数 = n - dp[0][n-1] = 4 - 3 = 1 。与示例一致。 5. 关键点与总结 问题转化 : 将“最少插入次数”转化为“原串长度减去最长对称子序列长度”,是解决本题的核心洞察。 状态定义 : dp[i][j] 定义为子串 S[i...j] 的 最长对称子序列长度 ,而非最长回文子串长度。子序列可以不连续,这允许我们通过插入字符来构建对称串。 转移逻辑 : 首尾相等时,它们可以配对,贡献长度2,并加上中间部分的最优解。 首尾不等时,最优解必然来自舍弃头或舍弃尾的子区间。 计算顺序 : 必须从短区间向长区间计算,确保在计算 dp[i][j] 时,所需的 dp[i+1][j-1] , dp[i+1][j] , dp[i][j-1] 都已被计算出来。 这个算法的时间复杂度是 O(n²),空间复杂度也是 O(n²)(可以使用滚动数组优化到 O(n),但代码会更复杂)。它清晰地展示了区间DP如何通过组合小区间的最优解,来解决整个区间的最优化问题。