从一道简单的dp题中学到的...

今天想学点动态规划的知识，于是就看了杭电的课件，数塔问题啊，LCS啊都是比较经典的动规了，然后随便看了看就开始做课后练习题。。。

HDOJ 1421 搬寝室

http://acm.hdu.edu.cn/showproblem.php?pid=1421

 

题目大意：从n(n <= 2000)个数中选出k对数(即2*k个)，使它们的差的平方和最小。

例如：从8，1，10，9，9中选出2对数，要使差的平方和最小，则应该选8和9、9和10，这样最小，结果为2

 

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因为知道是dp的题，先建个dp[][]数组，然后我就一直在想从 n 个数中选出 k 对，和从 n-1 个数中选出 k 对有什么关系...

妹夫的，想了半天没想出来有关系，一搜题解，看呆了，排序两个大字赫然映入我的眼帘...哎呀，笨死了，我这么多年饭算是白吃了...

只要先把这n个数排好序，那么新加入的数如果要使用，只能是跟倒数第二个数(第n-1个)作差(未排序之前不能保证这一点，所以无法选择)，那么从n个数中选出k对数，就有两个状态来源：

1、如果没用上第n个数，那么dp[n][k] = dp[n-1][k]; 

2、如果用上了第n个数，那么dp[n][k] = dp[n-2][k-1] + (a[n] - a[n-1])^2

只要取二者的min()就ok了，得到状态转移方程是：dp[i][j] = min(dp[i-1][j], dp[i-2][j-1] + (a[i] - a[i-1]) * (a[i] - a[i-1]));

 

编程如下：

#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<cmath>
#include<algorithm>
#define INF 0x3f3f3f3f
#define MAXN 2005
using namespace std;
int a[MAXN];
int dp[MAXN][MAXN];
int main()
{
  int n, k;
  while(scanf("%d%d", &n, &k) != EOF)
  {
    for (int i = 1; i <= n; ++i)
    {
      scanf("%d", &a[i]);
    }
    memset(dp, 0x3f, sizeof(dp));
    for (int i = 0; i < n + 1; ++i)
    {
      dp[i][0] = 0;
    }

    sort(a + 1, a + n + 1);
    for (int i = 2; i <= n; ++i)
    {
      for (int j = 1; j <= k, j <= i / 2; ++j)
      {
        dp[i][j] = min(dp[i-1][j], dp[i-2][j-1] + (a[i] - a[i-1]) * (a[i] - a[i-1]));
      }
    }
    printf("%d\n", dp[n][k]);
  }
  return 0;
}

插个小插曲： 关于int最大值的定义，此处是写了 #define INF 0x3f3f3f3f....

我们知道32-int的最大值其实是0x7fffffff; 在这个程序中定义成这个值也没有问题，下面谈一下它们两个的用处区别：

1、如果定义的最大值只是单纯的用于比较，比如初始化一个min时，这样的情景把INF设为0x7fffffff；

2、很多时候我们定义一个最大值，并不是单纯的比较，而且还有松散的操作，比如这样：

在很多最短路径算法中都有这段代码

if (d[u]+w[u][v]<d[v]) d[v]=d[u]+w[u][v];
我们知道如果u,v之间没有边，那么w[u][v]=INF，如果我们的INF取0x7fffffff，那么d[u]+w[u][v]会溢出而变成负数。

也就是说对于一个无穷大，应该加上一个常数还是无穷大，而0x7fffffff + 1 就溢出了，显然不符合这一基本要求。

于是，我们发现了0x3f3f3f3f(不知道哪位大神最先使用这个数的)，它的值是1061109567，也就是10^9级别的，和0x7fffffff一个数量级，它加上一个常数仍然还在32int的范围内...更加地，一个无穷大还应该满足，正无穷大 + 正无穷大 还是无穷大，恰好地，0x3f3f3f3f + 0x3f3f3f3f = 2122219134，这个数非常大但却没有超过32-bit int的表示范围，所以0x3f3f3f3f还满足了我们“无穷大加无穷大还是无穷大”的需求。

最精妙的是，我们知道在使用memset()函数给数组赋初值的时候，一般使用0，-1，true，false这四个参数，其他的可能会出现达不到想要结果的情形(比如全赋1，可能就不是1)，因为memset是按字节操作的，它能够对数组清零是因为0的每个字节都是0，现在好了，如果我们将无穷大设为0x3f3f3f3f，那么奇迹就发生了，0x3f3f3f3f的每个字节都是0x3f！所以要把一段内存全部置为无穷大，我们只需要memset(a,0x3f,sizeof(a))。

综上，0x3f3f3f3f真的是在赋最大值时一个很不错的选择。

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好的，说回到这个程序上，按照上面写的代码，提交之后，虽然能够AC，但是运行时间是800+ms，空间是15000+K，这显然不是我们想看到的结果...

那么就开始优化了，看了一下程序，显然耗时的过程不是对dp[][]求值的过程，因为输入的多组数据中，不是每组都需要求到n=2000，k=1000的，显然是在使用memset()给dp[][]赋初值的时候，由于每组数据都要初始化，所以每次都是一个MAXN^2的时间，将其改为根据n，k初始化即可，没有什么技术含量...

对于空间的优化，空间占用显然是因为我无脑的开了一个int dp[MAXN][MAXN];

我们通过研究程序发现在求解dp[i][j]的过程中，对 i 的值，实际上我们只需要保存三组就够了，因为dp[i][j]最多只会用到dp[i-1][]和dp[i-2][]，对于dp[i-3][]和之前的数据是没有引用的，也就是说这些数据都是无效的了...我们只需要开一个int dp[3][MAXN/2];  (k不超过n的一半...)

这样的数组叫做“滚动数组”，相当于在原数组中每次在求解完dp[i][]之后，就把它写到dp[i-3][]那里，只用3个位置，通过这样的滚动，就完成了MAXN长度的求值，这种技巧在求解dp问题中非常常见。它对于时间上没有任何帮助，但是在空间上节省的就不是一点半点了(想想2005 * 2005 和 3 * 2005)...

采用“滚动数组”的技巧，我们顺带的把dp[][]的初始化用时也降低了...只需把原程序中的状态转移方程改为如下即可：

dp[i%3][j] = min(dp[(i-1)%3][j], dp[(i-2)%3][j-1] + (a[i] - a[i-1]) * (a[i] - a[i-1]));

改完之后的代码如下，红色部分就是改动内容：

#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<cmath>
#include<cstdlib>
#include<algorithm>
#define INF 0x3f3f3f3f
#define MAXN 2005
using namespace std;
int a[MAXN];
int dp[3][MAXN/2];
int main()
{
  int n, k;
  while(scanf("%d%d", &n, &k) != EOF)
  {
      
    for (int i = 1; i <= n; ++i)
    {
      scanf("%d", &a[i]);
    }
    for (int i = 0; i <= 2; ++i)
    {
      for (int j = 1; j < k + 1; ++j)
      {
        dp[i][j] = INF;
      }
      dp[i][0] = 0;
    }

    sort(a + 1, a + n + 1);
    for (int i = 2; i <= n; ++i)
    {
      for (int j = 1; j <= k; ++j)
      {
        dp[i%3][j] = min(dp[(i-1)%3][j], dp[(i-2)%3][j-1] + (a[i] - a[i-1]) * (a[i] - a[i-1]));
      }
    }
    printf("%d\n", dp[n%3][k]);
  }
  return 0;
}

这样改完之后，再次提交，时间是 90ms，空间是 240K，已经进入了此题solution排行榜的第一页，算是比较理想的结果了(对比之前 800ms， 15000K)，有兴趣的读者再去对输入输出等等细节方面优化一下，冲击一下best solution吧！