算法:字符串消除问题的数学证明
问题:
给定一个字符串,仅由A、B、C3个字母组成。当出现连续两个不同的字母时,你可以用另外一个字母替换它,如有AB或BA连续出现,你把它们替换为字母C;有AC或CA连续出现时,你可以把它们替换为字母B;有BC或CB连续出现时,你可以把它们替换为字母A。可以不断反复按照这个规则进行替换,目标是使得最终结果所得到的字符串尽可能短,求最终结果的最短长度。
输入:字符串。长度不超过200,仅由ABC3个字母组成。 输出:按照上述规则不断消除替换,所得到的字符串最短的长度。
例如:
输入CAB,输出2。因为我们可以把它变为BB或者变为CC。
输入BCAB,输出1。我们可以把它变为AAB到AC到B,也可以把它变为BBB,但因为前者长度更短,所以输出1。
先给出几个概念
纯字符串:只含有一种字母的字符串称为纯字符串,例如AAA就是一个纯字符串
混字符串:含有至少两种字母的字符串称为混字符串,例如ABC就是一个混字符串
最优长度:字符串通过消除的最终结果的最短长度,称为该字符串的最优长度。上面的示例中,CAB的最优长度为2,BCAB的最优长度为1
最优串:字符串通过消除达到最优长度时的字符串称为最优串,最优串可能不止一个。如CAB的最优串为BB和CC,而BCAB的最优串为B。最优串一定是纯字符串
统计向量:用(X,Y,Z)表示字符串的统计向量,其中X、Y、Z分别表示字符串中字母A、B、C的个数。上面的示例中,CAB的统计向量为(1,1,1),BCAB的统计向量为(1,2,1)
统计特征向量:用(X,Y,Z)表示字符串的统计特征向量,其中X、Y、Z分别表示字符串中字母A、B、C的个数的奇偶性,用“奇”、“偶”表示。CAB的统计特征向量为(奇,奇,奇),BCAB的统计特征向量为(奇,偶,奇)
再给出几个推论
推论1:纯字符串的最优长度就是纯字符串的长度。
很明显的,只有一个字母,没法消除,所以最优长度就是纯字符串的长度
推论2:在纯字符串前或后加另一个字母得到新的混字符串,则新混字符串的最优长度为1
例如:BBBBBBBA。则消除的过程是,BBBBBBBA >> BBBBBBC >> BBBBBA >> BBBBC >> BBBA >> BBC >> BA >> C
其他的类似,不再赘述
推论3:若纯字符串的长度为偶数,则在前或后添加另一个字母得到新的混字符串,则新混字符串的最优串为添加的字母;若纯字符串的长度为奇数,则新混字符串的最优串为剩下的一个字母
假设纯字符串为BB,添加字母A,则新混字符串为BBA,BBA >> BC >> A
假设纯字符串为BBBB,添加字母A,则新混字符串为BBBBA,BBBBA >> BBA >> A
以此类推,推论3的前半部得证
假设纯字符串为B,添加字母A,则新混字符串为BA,BA >> C
假设纯字符串为BBB,添加字母A,则新混字符串为BBBA,BBBA >> BA >> C
以此类推,推论3的后半部得证
推论4:混字符串的最优长度不超过2(为1或2)
证明:
首先混字符串通过不停的消除,最终能得到一个纯字符串(因为若还有不同的字母,则必相邻,则还能继续消除)。
若该纯字符串的长度为1或2,则证明了该推论(不过,就算纯字符串长度为2,还没证明最优长度一定是2,可以肯定的是最优长度不超过2,即1或2都有可能)
若该纯字符串的长度大于2,不失一般性,假设该纯字符串的长度为K(K>2),该纯字符串都由字母B组成(字母A、C是一样的),该纯字符串是通过N(N≥1)步消除得到的
那么回退一步,第N-1步消除得到的混字符串为B……BACB……B,其中A前面有K1个B,C后面有K2个B,K1+K2=K-1。(也有可能是B……BCAB……B,和B……BACB……B是一致的,不再赘述了)
那么,根据K1和K2的取值不同,可以优化出不同的消除
K1是奇数,K2是奇数。利用推论3,可知B……BA >> C;CB……B >> A;B……BACB……B >> CA >> B,最优串是B,最优长度为1
K1是奇数,K2是偶数。利用推论3,可知B……BA >> C;CB……B >> C;B……BACB……B >> CC,则最优长度不超过2(因为还没法证明最优长度不会是1)
K1是偶数,K2是奇数。利用推论3,可知B……BA >> A;CB……B >> A;B……BACB……B >> AA,则最优长度不超过2(因为还没法证明最优长度不会是1)
K1是偶数,K2是偶数。利用推论3,可知B……BA >> A;CB……B >> C;B……BACB……B >> AC >> B,最优串是B,最优长度为1
综上所述,混字符串的最优长度不超过2
推论5:统计特征向量为(奇,奇,奇)或(偶,偶,偶)的混字符串的最优长度为2;其余的混字符串的最优长度为1
证明:
考察一下,每次消除,统计特征向量的变化过程
假设字符串的统计特征向量为(奇,奇,奇)
假设消除是AC(或CA) >> B,则A和C的个数减1,而B的个数增加1,则统计特征向量变为(偶,偶,偶)
假设消除是AB(或BA) >> C,则A和B的个数减1,而C的个数增加1,则统计特征向量变为(偶,偶,偶)
假设消除是BC(或CB) >> A,则B和C的个数减1,而A的个数增加1,则统计特征向量变为(偶,偶,偶)
综上所述,统计特征向量为(奇,奇,奇)的混字符串,经过1次消除后,统计特征向量变为(偶,偶,偶)
同理可证,统计特征向量为(偶,偶,偶)的混字符串,经过1次消除后,统计特征向量变为(奇,奇,奇)
由此可知,反复消除后,统计特征向量为(奇,奇,奇)的混字符串的最优串的统计特征向量是(偶,偶,偶)。(因为最优串是纯字符串,只能有1种字符,所以最优串不可能是(奇,奇,奇))
同理可证,统计特征向量为(偶,偶,偶)的混字符串的最优串的统计特征向量也是(偶,偶,偶)。
因此,统计特征向量为(奇,奇,奇)或(偶,偶,偶)的混字符串的最优串的统计特征向量为(偶,偶,偶)
假设字符串的统计特征向量为(奇,偶,偶)
假设消除是AC(或CA) >> B,则A和C的个数减1,而B的个数增加1,则统计特征向量变为(偶,奇,奇)
假设消除是AB(或BA) >> C,则A和B的个数减1,而C的个数增加1,则统计特征向量变为(偶,奇,奇)
假设消除是BC(或CB) >> A,则B和C的个数减1,而A的个数增加1,则统计特征向量变为(偶,奇,奇)
综上所述,统计特征向量为(奇,偶,偶)的混字符串,经过1次消除后,统计特征向量变为(偶,奇,奇)
同理可证,统计特征向量为(偶,奇,奇)的混字符串,经过1次消除后,统计特征向量变为(奇,偶,偶)
由此可知,反复消除后,统计特征向量为(奇,偶,偶)的混字符串的最优串的统计特征向量是(奇,偶,偶)。(因为最优串是纯字符串,只能有1种字符,所以最优串不可能是(偶,奇,奇))
同理可证,统计特征向量为(偶,奇,奇)的混字符串的最优串的统计特征向量也是(奇,偶,偶)。
因此,统计特征向量为(奇,偶,偶)或(偶,奇,奇)的混字符串的最优串的统计特征向量为(奇,偶,偶)
同理可证
统计特征向量为(偶,奇,偶)或(奇,偶,奇)的混字符串的最优串的统计特征向量为(偶,奇,偶)
统计特征向量为(偶,偶,奇)或(奇,奇,偶)的混字符串的最优串的统计特征向量为(偶,偶,奇)
由推论4可知,混字符串的最优长度不超过2
如果,混字符串的最优长度为1,则最优串是A,统计特征向量是(奇,偶,偶);是B,统计特征向量是(偶,奇,偶);是C,统计特征向量是(偶,偶,奇)
如果,混字符串的最优长度为2,则最优串是AA或BB或CC,统计特征向量是(偶,偶,偶)
所以,统计特征向量为(奇,奇,奇)或(偶,偶,偶)的混字符串的最优长度是2。
统计特征向量为(奇,偶,偶)或(偶,奇,奇)的混字符串的最优长度为1,最优串是A
统计特征向量为(偶,奇,偶)或(奇,偶,奇)的混字符串的最优长度为1,最优串是B
统计特征向量为(偶,偶,奇)或(奇,奇,偶)的混字符串的最优长度为1,最优串是C
证明完毕
结论:
1、纯字符串的最优串就是自身,最优长度就是自身的长度
2、统计特征向量为(奇,奇,奇)或(偶,偶,偶)的混字符串的最优长度为2
3、其余的混字符串的最优长度是1,其中统计特征向量为(奇,偶,偶)或(偶,奇,奇)的混字符串的最优串是A;统计特征向量为(偶,奇,偶)或(奇,偶,奇)的混字符串的最优串是B;统计特征向量为(偶,偶,奇)或(奇,奇,偶)的混字符串的最优串是C