【专题系列】单调队列优化DP

Tip:还有很多更有深度的题目，这里不再给出，只给了几道基本的题目（本来想继续更的，但是现在做的题目不是这一块内容，以后有空可能会继续补上）

单调队列——看起来就是很高级的玩意儿，显然是个队列，而且其中的元素还具有单调性

当然，它不只只是一个简单的队列，还是一个双端队列，即队首队尾都可以弹出元素，当然可以用C++自带的STL<deque>实现，当然这篇博客里不建议使用这种写法，因为不开O2的话就会有一个大弊端——慢

单调队列裸题：滑动窗口

　　线性的求一个区间内的最值，我们先来找个规律，比如这组数据：

　　8 3
　　1 3 -1 -3 5 3 6 7

（以求最大值为例子）

　　我们发现前两个数中 1 3 ，3的优先级明显大于1，原因？3比1大，而且3还在1的右边（这样在后面的更新中3还能起到作用，而1显然已经没有作用了，那么我们就可以把1从队列里面弹出去了！）当然，这个操作在3丢到队列里面的时候就可以进行了，同时在这个操作之前，我们还要把前面的元素和现在位置差距大于k的元素弹掉

　　这样我们便可以保证队列中的元素是单调递增的，那么我们每次在n中取出k个元素的时候，只要把当前队列中的第k个元素放到输出列表中就好了！

　　当然最小值也是一样的，维护一个单调递减的序列，在这个过程中，每次输出其中最小数

代码如下：（先求最小值，后求最大值）

 #include<cstdio>

 #include<iostream>

 #include<cstring>

 #include<algorithm>

 using namespace std;

 inline int read(){

     int ans=,f=; char chr=getchar();

     while(!isdigit(chr)){if(chr=='-') f=-;chr=getchar();}

     while(isdigit(chr)) {ans=(ans<<)+chr-;chr=getchar();}

     return ans*f;

 }

 void write(int x){

     if(x<) x=-x,putchar('-');

     if(x>) write(x/);

     putchar(x%+);

 }

 int q[],h,t,n,a[],k;

 int main(){

     n=read();k=read();

     for(register int i=;i<=n;++i) a[i]=read();

     h=,t=;

     for(register int i=;i<=n;++i){//Min

         while(h<=t&&q[h]+k<=i) ++h;

         while(h<=t&&a[i]<=a[q[t]]) --t;

         q[++t]=i;

         if(i>=k) write(a[q[h]]),putchar(' ');

     }puts("");

     h=,t=;

     for(register int i=;i<=n;++i){//Max

         while(h<=t&&q[h]+k<=i) ++h;

         while(h<=t&&a[i]>=a[q[t]]) --t;

         q[++t]=i;

         if(i>=k) write(a[q[h]]),putchar(' ');

     }

     return ;

 }

【时间复杂度分析】

　　　显然外循环的复杂度为n，关键在于其中的while循环，分析一下可以知道，每一个元素在其中只会进入队列一次，出队列一次，所以总的时间复杂度为O（n），而且常数也是十分优秀的

　　当然像这种求区间最值的问题也有一种简单粗暴的方法：线段树

代码如下：（这里代码就折叠掉了，有需求的读者可以自己阅读，就是求区间的最大值和最小值，连修改都不用，可以说是线段树的模板了）

// luogu-judger-enable-o2

#include<iostream>

#include<cstdio>

#include<cctype>

#include<algorithm>

#include<cstring>

#define ll long long

#define lson i << 1,l,m

#define rson i << 1| 1,m + 1,r

#define MAXN (int)1e6 + 5

using namespace std;

inline ll read(){

    char chr=getchar();

    ll f=,ans=;

    while(!isdigit(chr)) {if(chr=='-') f=-;chr=getchar();}

    while(isdigit(chr))  {ans=ans*;ans+=chr-'';chr=getchar();}

    return ans*f;

}

void write(ll x){

    if(x<){

        putchar('-');

        x=-x;

    }

    if(x<)

        putchar(x+'');

    else

        write(x/),putchar(x%+);

}

struct P{

    ll l,r;

    ll max,add,min;

    ll mid(){

        return l + r >> ;

    }

}t[MAXN << ];

ll a[MAXN << ];

void build(ll i,ll l,ll r){

    t[i].l = l;t[i].r = r;

    if(l == r){

        t[i].min = a[l];

        t[i].max = a[l];

        return;

    }

    ll m = t[i].mid();

    build(lson);

    build(rson);

    t[i].max =max( t[i << ].max , t[i <<  | ].max );

    t[i].min =min( t[i << ].min , t[i <<  | ].min );

}

ll qmin(ll i,ll l,ll r){

    if(l <= t[i].l && t[i].r <= r) return t[i].min;

    ll pp = 0x3f3f3f3f,qq = 0x3f3f3f3f;

    ll m = t[i].mid();

    if(l <= m) pp = qmin(i << ,l,r);

    if(r > m)  qq = qmin(i <<  | ,l,r);

    return min(qq , pp);

}

ll qmax(ll i,ll l,ll r){

    if(l <= t[i].l && t[i].r <= r) return t[i].max;

    ll pp = -0x3f3f3f3f,qq = -0x3f3f3f3f;

    ll m = t[i].mid();

    if(l <= m) pp = qmax(i << ,l,r);

    if(r > m)  qq = qmax(i <<  | ,l,r);

    return max(qq , pp);

}

ll n,m;

int main(){

    n = read() ;

    m = read() ;

    for(ll i = ;i <= n;i ++)

        a[i] = read();

    build(,,n);

    for(int i = ;i + m -  <= n;++i){

        printf("%lld",qmin(,i,i+m-));

        putchar(' ');

    }

    puts("");

    for(int i = ;i + m -  <= n;++i){

        printf("%lld",qmax(,i,i+m-));

        putchar(' ');

    }

    return ;

}

【NO.1】

　　【NOIP提高组初赛程序填空】烽火传递

题目描述

烽火台是重要的军事防御设施，一般建在交通要道或险要处。一旦有军情发生，则白天用浓烟，晚上有火光传递军情。

在某两个城市之间有 nn 座烽火台，每个烽火台发出信号都有一定的代价。为了使情报准确传递，在连续 mm 个烽火台中至少要有一个发出信号。现在输入 n,mn,m 和每个烽火台的代价，请计算总共最少的代价在两城市之间来准确传递情报。

输入格式

第一行是 n,mn,m，表示 nn 个烽火台和连续烽火台数 mm；

第二行 nn 个整数表示每个烽火台的代价 a_iai。

输出格式

输出仅一个整数，表示最小代价。
样例
样例输入
5 3

1 2 5 6 2
样例输出
4
样例说明

在第 2,52,5 号烽火台上发信号。
数据范围与提示

n,m正整数且小于等于2×10^5

【分析】

　　显然是一道DP题

　　不妨令f[i]表示取第i个点时的最小值

　　那么有方程：

f[i]=min{f[k]}+a[i]

其中k∈[i-m,i-1]

　　但显然这样是O（n^2）的复杂度，对于十万级的n,m显然不够优，如果我们可以在很短的时间内求出f[k](k∈[i-m,i-1])的最小值就好了，并且随着i的增大，它每次还能更新入新的数据！

　　区间最小？单点更新？不就是线段树吗！O（nlogn）的算法出炉（还是一样，先把代码折叠起来，有需求的读者可以自己点开看）：（当然，如果读者不会线段树，可以跳过这一部分的代码直接阅读后面）

 #include<iostream>

 #include<cstdio>

 #include<cstring>

 #include<algorithm>

 #define int long long

 using namespace std;

 inline int read(){

     char chr=getchar();    int f=,ans=;

     while(!isdigit(chr)) {if(chr=='-') f=-;chr=getchar();}

     while(isdigit(chr))  {ans=(ans<<)+(ans<<);ans+=chr-'';chr=getchar();}

     return ans*f;

 }

 void write(int x){

     if(x<) putchar('-'),x=-x;

     if(x>) write(x/);

     putchar(x%+'');

 }

 int n,m,a[<<];

 int minn[<<];

 void updata(int i,int l,int r,int pos,int x){

     if(l==r){minn[i]=x;return;}

     int mid=l+r>>;

     if(pos<=mid) updata(i<<,l,mid,pos,x);

     else updata(i<<|,mid+,r,pos,x);

     minn[i]=min(minn[i<<],minn[i<<|]);

 }

 int query(int i,int l,int r,int ql,int qr){

     if(ql<=l&&r<=qr){return minn[i];}

     int mid=l+r>>,x=0x3f3f3f3f,y=0x3f3f3f3f;

     if(ql<=mid) x=query(i<<,l,mid,ql,qr) ;

     if(qr>mid) y=query(i<<|,mid+,r,ql,qr);

     return min(x,y);

 }

 int f[<<];

 signed main(){

     freopen("ttt.in","r",stdin);

     n=read();m=read();

     for(int i=;i<=n;i++)a[i]=read();

     for(int i=;i<m;i++) updata(,,n,i,a[i]);

     for(int i=m;i<=n;i++){

         f[i]=query(,,n,i-m,i-)+a[i];

         updata(,,n,i,f[i]);

     }int ans=0x7fffffff;

     for(int i=n-m+;i<=n;i++) ans=min(f[i],ans);

     write(ans);

     return ;

 }

　　对于本题，已经可以在要求的时间内求出答案了，但是显然这样的办法有点异常暴力，而且还要照顾一下不会线段树的童鞋是吧，于是切入正题，如何用单调队列做这题！

　　对于每一次状态的转移，我们只需要维护f[]数组的最值即可，那么显然我们可以以f[]创建一个单调队列，维护f[]的最小值，每次更新它的最新元素，且每次更新即取队首元素即可

　　当然，上面的while循环可以换成在C++更加里面更加灵活的for循环，本质上还是一个求最值的问题，不过在这之前我们要能从中推出转移方程，关键是要从递推式中看出单调性，这也是我们用单调队列解题的前提

 #include<iostream>

 #include<cstdio>

 #include<cstring>

 #include<algorithm>

 #define int long long

 using namespace std;

 inline int read(){

     char chr=getchar();    int f=,ans=;

     while(!isdigit(chr)) {if(chr=='-') f=-;chr=getchar();}

     while(isdigit(chr))  {ans=(ans<<)+(ans<<);ans+=chr-'';chr=getchar();}

     return ans*f;

 }

 void write(int x){

     if(x<) putchar('-'),x=-x;

     if(x>) write(x/);

     putchar(x%+'');

 }

 const int N=1e6+;

 int n,m,l,r,a[N],f[N],q[N<<];

 signed main(){

     n=read();m=read();

     for(int i=;i<=n;i++) a[i]=read();

     l=r=;

     for(int i=;i<=n;i++){

         for(;l<r&&i-q[l]>m;l++);

         f[i]=f[q[l]]+a[i];

         for(;l<r&&f[q[r]]>f[i];r--);

         q[++r]=i;

     }int ans=0x7fffffff;

     for(int i=n-m+;i<=n;i++) ans=min(ans,f[i]);//这里有一个小细节，最后一次选择可以从最后m个元素中选择,原因很简单，只要保证后面m个元素中有一个取就够了

     cout<<ans;

     return ;

 }

【NO.2】

　　【Tyvj1305】最大子序和

【问题描述】

输入一个长度为n的整数序列，从中找出一段不超过M的连续子序列，使得整个序列的和最大。

例如 1,-3,5,1,-2,3

当m=4时，S=5+1-2+3=7；

当m=2或m=3时，S=5+1=6。

【输入格式】

第一行两个数n,m；

第二行有n个数，要求在n个数找到最大子序和。

【输出格式】

一个数，数出他们的最大子序和。

【输入样例】

6 4

1 -3 5 1 -2 3

【输出样例】

【数据范围】

n,m≤300000；数列元素的绝对值≤1000。

【题目来源】

Tyvj1305

【问题分析】　　

　　首先，要求连续我们可以把原序列转化成前缀和进行求解

　　因为前缀和的性质有sum[l~r]=sum[r]-sum[l-1]，对于每一个r，我们只要求出前面m个数中最小的sum[l]即可保证sum[l~r]最大

　　以sum[]建立单调队列即可

 #include<iostream>

 #include<cstdio>

 #include<cstring>

 #include<algorithm>

 using namespace std;

 inline int read(){

     char chr=getchar();    int f=,ans=;

     while(!isdigit(chr)) {if(chr=='-') f=-;chr=getchar();}

     while(isdigit(chr))  {ans=(ans<<)+(ans<<);ans+=chr-'';chr=getchar();}

     return ans*f;

 }

 void write(int x){

     if(x<) putchar('-'),x=-x;

     if(x>) write(x/);

     putchar(x%+'');

 }

 const int M=;

 int n,m;

 int q[M],a[M],h,t,f[M];

 int sum[M];

 int main(){

     n=read(),m=read();

     for(int i=;i<=n;i++) a[i]=read(),sum[i]=sum[i-]+a[i];

     int l=,r=;int ans=-0x7fffffff;

     for(int i=;i<=n;i++){

         for(;l<r&&i-q[l]>m;l++);

         ans=max(ans,sum[i]-sum[q[l]]);

         for(;l<r&&sum[q[r]]>=sum[i];r--);

         q[++r]=i;

     }

     cout<<ans;

     return ;

 }

【NO.3】

　　【Hdu3530】Subsequence