代码随想录Day 46|动态规划完结,leetcode题目:647. 回文子串、516.最长回文子序列

提示:DDU,供自己复习使用。欢迎大家前来讨论~

文章目录

动态规划Part13

题目

题目一:647. 回文子串

647. 回文子串

解题思路:

暴力解法

两层for循环,遍历区间起始位置和终止位置,然后还需要一层遍历判断这个区间是不是回文。所以时间复杂度:O(n^3)

动态规划

动规五部曲:

  1. 确定dp数组(dp table)以及下标的含义

在处理子序列问题时,定义dp数组通常需要根据题目要求来确定其含义,但在某些特殊情况下,如回文串问题,直接定义dp数组可能难以找到有效的递归关系。

所以我们要看回文串的性质。 如图:

为了判断字符串是否为回文,我们可以定义一个二维dp数组,其中dpij表示从第i个字符到第j个字符的子串是否为回文串。通过递归检查子串是否回文,可以构建出整个字符串的回文性质。

  1. 确定递推公式

在确定递推公式时,我们分析以下情况:

判断子串i, j是否回文,当si与sj相等时,依赖于子区间i+1, j-1是否回文。

  1. si与sj不相等:直接设置dpij为false。
  2. si与sj相等:
    • 情况一:i与j相同,字符相同,直接设置dpij为true。
    • 情况二:i与j相差1,字符相同,直接设置dpij为true。
    • 情况三:i与j相差大于1,此时需要检查子区间i+1, j-1是否回文,即dpij = dpi+1j-1。

以上三种情况分析完了,那么递归公式如下:

cpp 复制代码
if (s[i] == s[j]) {
    if (j - i <= 1) { // 情况一 和 情况二
        result++;
        dp[i][j] = true;
    } else if (dp[i + 1][j - 1]) { // 情况三
        result++;
        dp[i][j] = true;
    }
}

result变量用于统计回文子串的总数,而当si与sj不相等时,其对应的dpij在初始化时已被设置为false。

  1. dp数组如何初始化

初始化时,dpij应设为false,因为不能默认任何子串都是回文。

  1. 确定遍历顺序

遍历顺序可有有点讲究了。

首先从递推公式中可以看出,情况三是根据dpi + 1j - 1是否为true,在对dpij进行赋值true的。

dpi + 1j - 1 在 dpij的左下角,如图:

如果这矩阵是从上到下,从左到右遍历,那么会用到没有计算过的dpi + 1j - 1,也就是根据不确定是不是回文的区间i+1,j-1,来判断了i,j是不是回文,那结果一定是不对的。

所以一定要从下到上,从左到右遍历,这样保证dpi + 1j - 1都是经过计算的。

有的代码实现是优先遍历列,然后遍历行,其实也是一个道理,都是为了保证dpi + 1j - 1都是经过计算的。

代码如下:

cpp 复制代码
for (int i = s.size() - 1; i >= 0; i--) {  // 注意遍历顺序
    for (int j = i; j < s.size(); j++) {
        if (s[i] == s[j]) {
            if (j - i <= 1) { // 情况一 和 情况二
                result++;
                dp[i][j] = true;
            } else if (dp[i + 1][j - 1]) { // 情况三
                result++;
                dp[i][j] = true;
            }
        }
    }
}
  1. 举例推导dp数组

举例,输入:"aaa",dpij状态如下:

图中有6个true,所以就是有6个回文子串。

注意因为dpij的定义,所以j一定是大于等于i的,那么在填充dpij的时候一定是只填充右上半部分。

以上分析完毕,C++代码如下:

cpp 复制代码
class Solution {
public:
    int countSubstrings(string s) {
        vector<vector<bool>> dp(s.size(), vector<bool>(s.size(), false));
        int result = 0;
        for (int i = s.size() - 1; i >= 0; i--) {  // 注意遍历顺序
            for (int j = i; j < s.size(); j++) {
                if (s[i] == s[j]) {
                    if (j - i <= 1) { // 情况一 和 情况二
                        result++;
                        dp[i][j] = true;
                    } else if (dp[i + 1][j - 1]) { // 情况三
                        result++;
                        dp[i][j] = true;
                    }
                }
            }
        }
        return result;
    }
};

以上代码是为了凸显情况一二三,当然是可以简洁一下的,如下:

cpp 复制代码
class Solution {
public:
    int countSubstrings(string s) {
        vector<vector<bool>> dp(s.size(), vector<bool>(s.size(), false));
        int result = 0;
        for (int i = s.size() - 1; i >= 0; i--) {
            for (int j = i; j < s.size(); j++) {
                if (s[i] == s[j] && (j - i <= 1 || dp[i + 1][j - 1])) {
                    result++;
                    dp[i][j] = true;
                }
            }
        }
        return result;
    }
};
  • 时间复杂度:O(n^2)
  • 空间复杂度:O(n^2)

题目二: 516.最长回文子序列

516. 最长回文子序列

解题思路:

回文子串和回文子序列是两种不同的概念。

  1. 回文子串:指的是字符串中的连续子串,它正读和反读是相同的。例如,"abba" 中的 "abba" 和 "bab" 都是回文子串。
  2. 回文子序列:指的是字符串中的字符,不一定连续,但按一定顺序排列后可以形成回文。例如,"babad" 中的 "bab" 或 "aba" 可以是回文子序列,因为它们可以由原字符串中的字符组成,虽然在原字符串中它们不是连续的。

对于回文子串的问题,常见的动态规划方法是使用一个二维数组 dp[i][j] 来表示字符串从索引 i 到 j 的子串是否是回文。如果 s[i] 等于 s[j] 并且 dp[i+1][j-1] 也是回文,则 dp[i][j] 为真。

而对于回文子序列的问题,通常需要使用不同的动态规划方法,因为子序列不需要连续。一个常见的方法是使用一个一维数组 dp[i] 来表示字符串到索引 i 为止的子序列中,每个字符出现的次数,然后根据这些出现次数来判断是否可以形成回文。

动规五部曲分析如下:

  1. 确定dp数组(dp table)以及下标的含义

dpij:字符串s在i, j范围内最长的回文子序列的长度为dpij。

  1. 确定递推公式

在判断回文子串的题目中,关键逻辑就是看si与sj是否相同。

如果si与sj相同,那么dpij = dpi + 1j - 1 + 2;

如图:

(如果这里看不懂,回忆一下dpij的定义)

如果si与sj不相同,说明si和sj的同时加入 并不能增加i,j区间回文子序列的长度,那么分别加入si、sj看看哪一个可以组成最长的回文子序列。

加入sj的回文子序列长度为dpi + 1j。

加入si的回文子序列长度为dpij - 1。

那么dpij一定是取最大的,即:dpij = max(dpi + 1j, dpij - 1);

代码如下:

cpp 复制代码
if (s[i] == s[j]) {
    dp[i][j] = dp[i + 1][j - 1] + 2;
} else {
    dp[i][j] = max(dp[i + 1][j], dp[i][j - 1]);
}
  1. dp数组如何初始化

首先要考虑当i 和j 相同的情况,从递推公式:dpij = dpi + 1j - 1 + 2; 可以看出 递推公式是计算不到 i 和j相同时候的情况。

所以需要手动初始化一下,当i与j相同,那么dpij一定是等于1的,即:一个字符的回文子序列长度就是1。

其他情况dpij初始为0就行,这样递推公式:dpij = max(dpi + 1j, dpij - 1); 中dpij才不会被初始值覆盖。

cpp 复制代码
vector<vector<int>> dp(s.size(), vector<int>(s.size(), 0));
for (int i = 0; i < s.size(); i++) dp[i][i] = 1;
  1. 确定遍历顺序

从递归公式中,可以看出,dpij 依赖于 dpi + 1j - 1 ,dpi + 1j 和 dpij - 1,如图:

所以遍历i的时候一定要从下到上遍历,这样才能保证下一行的数据是经过计算的。

j的话,可以正常从左向右遍历。

代码如下:

cpp 复制代码
for (int i = s.size() - 1; i >= 0; i--) {
    for (int j = i + 1; j < s.size(); j++) {
        if (s[i] == s[j]) {
            dp[i][j] = dp[i + 1][j - 1] + 2;
        } else {
            dp[i][j] = max(dp[i + 1][j], dp[i][j - 1]);
        }
    }
}
  1. 举例推导dp数组

输入s:"cbbd" 为例,dp数组状态如图:

红色框即:dp0s.size() - 1; 为最终结果。

以上分析完毕,C++代码如下:

cpp 复制代码
class Solution {
public:
    int longestPalindromeSubseq(string s) {
        vector<vector<int>> dp(s.size(), vector<int>(s.size(), 0));
        for (int i = 0; i < s.size(); i++) dp[i][i] = 1;
        for (int i = s.size() - 1; i >= 0; i--) {
            for (int j = i + 1; j < s.size(); j++) {
                if (s[i] == s[j]) {
                    dp[i][j] = dp[i + 1][j - 1] + 2;
                } else {
                    dp[i][j] = max(dp[i + 1][j], dp[i][j - 1]);
                }
            }
        }
        return dp[0][s.size() - 1];
    }
};
  • 时间复杂度: O(n^2)
  • 空间复杂度: O(n^2)

动态规划总结

动规五部曲

  1. 确定dp数组(dp table)以及下标的含义:定义dp数组,明确其每个元素代表的含义。
  2. 确定递推公式:找出状态转移方程,即dp数组元素之间的关系。
  3. dp数组如何初始化:设定dp数组的初始值,对于边界情况特别重要。
  4. 确定遍历顺序:决定填充dp数组的顺序,通常与递推公式相关。
  5. 举例推导dp数组:通过具体例子来手动推导dp数组,验证算法的正确性。

基础概念

  • 重叠子问题:问题的解决方案可以分解为更小的子问题,而这些子问题会重复出现。
  • 最优子结构:问题的最优解包含其子问题的最优解。

常见问题类型

  1. 斐波那契数列:经典的递归问题,用于引入动态规划。
  2. 背包问题:包括01背包、完全背包和多重背包等,涉及物品的选择和容量限制。
  3. 打家劫舍系列:涉及相邻房屋不能同时偷的问题,需要考虑状态转移。
  4. 股票系列:涉及买卖股票的最佳时机,考虑价格波动和交易限制。
  5. 子序列系列:包括最长递增子序列、最长公共子序列等,涉及序列的子集和排列。

也是过了一遍动态规划的题目,完结撒花

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