最长递增子序列长度LIS

最长递增子序列Longest Increasing Subsequence (LIS) 指一个序列中所包含的最长的递增子序列。
 例如, 序列{2, 1, 4, 2, 3, 7, 4, 6}的LIS是{1, 2, 3, 4, 6},其长度为5。写一函数计算一个序列中的最长子序列长度。

 

一般思路：使用动态规划，数组记为a[]，用f[i]表示从第0个元素到第i个元素的LIS长度(初始化为1，因为a[i]本身长度为1)，对于每一个i，需要和i以前的元素进行比较，并更新f[i]的值，即比较a[i]和a[j]，0 <= j < i。

状态转移方程为f[i] = max{f[i], f[j]+1, if a[i] > a[j]}, 0 <= j < i。 用result记录最长的LIS长度。时间复杂度为O(N^2)。

code:

//最长递增子序列长度Version1, DP
int LongestIncreasingSubsequenceV1(int *a, int N)
{
    if (NULL == a || N <=0)
    {
        return -1;
    }
    int *f = new int[N];
    //初始化f[i]
    for (int i = 0; i < N; i++)
    {
        f[i] = 1;
    }
    
    int result = f[0];

    for (int i = 1; i < N; i++)
    {
        for (int j = 0; j < i; j++)
        {
            if (a[i] > a[j] && f[j] + 1 > f[i])
            {
                f[i] = f[j] + 1;
            }
        }
        if (result < f[i])
        {
            result = f[i];
        }
    }
    delete f;
    f = NULL;
    return result;
}

 

改进：上面比较a[i]和a[j]是通过遍历来比较的，有没更好的方法？

假如使用B[len]来记录长度为len的LIS的最小末尾，那么就可以直接比较a[i]和B[len]，找到a[i]在B中合适的位置。

如序列a[8]={2, 1, 4, 2, 3, 7, 4, 6}，初始B[0] = (signed int)0x80000000，B[1] = a[0] =2；

对于a[1]，a[1]<B[1]，更新B[1] = 1;

对于a[2]，a[2]>B[1]，故B[2] = 4;

对于a[3]，B[1]<a[3]<B[2]，更新B[2] = 2;

对于a[4] ，a[4]>B[2]，故B[3] = 3;

对于a[5] ，a[5]>B[3],故B[4] = 7;

对于a[6]，B[3]<a[6]<B[4]，故更新B[4]=4;

对于a[7]，a[7]>B[4]，故B[5]=6.至此过程结束。

 

从上面过程可以发现，对于长度为i的最小末尾数组B[i]，有以下性质，当i<j时， B[i]<B[j]。在有序数组中查找，可以使用二分查找提高查找效率。

设当前总长度为k时，比较a[i]和B[k]

1.若a[i]>B[k]，则B[k+1] = a[i]

2.若a[i]<B[k], 二分查找B中位置j使得，B[j]<a[i]<B[j+1],并更新B[j+1] = a[i];

这两种情况可以合并在一起。

code:

//最长递增子序列长度Version2, 改进的DP
int LongestIncreasingSubsequenceV2(int *a, int N)
{
    if (NULL == a || N <=0)
    {
        return -1;
    }
    
    int *B = new int[N + 1];
    B[0] = (signed int)0x80000000;
    B[1] = a[0];
    int len = 1;
    int low;
    int high;
    int mid;
    for (int i = 1; i < N; i++)
    {
        low = 0;
        high = len;
        while (low <= high)
        {
            mid = low + (high - low) / 2;
            if (a[i] > B[mid])
            {
                low = mid + 1;
            }
            else
            {
                high = mid - 1;
            }
        }
        B[low] = a[i];
        if (low > len)
        {
            len++;
        }
    }
    delete B;
    B = NULL;
    return len;
}