410-分割数组的最大值-DP/二分双解法

题目

题意分析

虽然题干只有短短一行半,但是说实话第一遍还真没看懂题目是什么意思,看了下边的例子才算是了解了要求什么。对于数组[7, 2, 5, 10, 8],需要将其分割为2连续子数组,示例中给了一种最好的分割方式,我们可以举一个不同的分割方式方便理解:[7]和[2, 5, 10, 8]这样分割出来的两个连续子数组,他们的和分别为7,25,所以最大值为25,表示的就是题干中所说的各自和的最大值;示例中最好的答案为18,也就是在所有的分割方案中,最小值为18,这个数就是我们要求解的值,通过示例还是比较容易理解的。

DP解法

刚开始看到题是没有什么思路的,但是,想起以前做过类似的分割数组的问题,于是想到了使用动态规划来解决,既然用DP,当然还是经典步骤走起来。

定义dp数组

这道题的dp数组定义还算相对容易,总共就一个包含n个元素的数组,将其分割为m个连续子数组,这样的话,分割为m个连续子数组的子问题必然是分割为k(1 <= k <= m)个连续子数组 ,所以用dp数组的一维表示分割的子数组的个数就很容易想到了,但是只有一维是不够的,因为dp[1]表示将数组分为一个子数组dp[2]表示将数组分为两个连续子数组,这两个值之前是没有明显的关系,并不能使用已知解推出未知解,所以就要用到另一个n,作为数组的另一维。
那么dp数组也就定义出来了:dp[i][j] 表示前i个元素,分割为j个连续子数组,使得这 j 个子数组各自和的最大值最小,可能有点繁琐,就是按照题目的意思给出的定义。这里要注意的是只有i >= j的dp数组元素是有意义的,因为5个元素不可能分割为6个子数组的嘛。

状态转移方程

根据dp[i][j]的定义,可以想到,将数组分割为j个连续子数组可以拆分为:将数组的部分元素分割为j - 1个连续子数组,并将剩余元素作为另一个连续子数组,这样由于具体选择多少个元素作为前j - 1个子数组并不固定,所以要用一个变量来遍历每一种可能,可以得到如下的状态转移:

    dp[i][j] = Integer.MAX_VALUE;
    for (int k = j - 1; k < i; k++) {
        dp[i][j] = Math.min(dp[i][j], Math.max(dp[k][j - 1], sum[i] - sum[k]));
    }

这里通过max部分求得连续子数组各自和的最大值,在通过min部分,求出所有可能的分割方法中,该值的最小值即为需要求解的dp[i][j],不过要注意初始化dp[i][j]的值足够大,保证第一次计算时可以有的比。另外,就像定义部分说的,5个元素不可能分割为6个子数组,所以可以让k从j - 1开始遍历。

初始化状态

由于dp数组的最终状态即是将n个元素,分割为m个连续子数组,使得这 m 个子数组各自和的最大值最小。那么最初始的状态就是n = 0 和 m = 0所对应的两行(列)元素,但是单纯从定义找初始值并不好找:将0个元素分割为若干个连续子数组将若干个元素分割为0个连续子数组都没有合适的值来代表,所以我们看状态转移方程,这两行(列)元素只在计算各自和的最大值时被用到,而n = 0这一行只有dp[0][0] = 0有意义,其他元素均不会被遍历到,所以只需考虑m = 0这一列,假设要求的为dp[3][1],那么他要用到的就是dp[3][0],可是这个元素毫无意义,而且不应该取它,所以可以令它为Integer.MAX_VALUE,这样只会保留遍历dp[0][0]时,有意义的sum[i] - sum[k],其他情况均不保留。

完整代码

public int splitArray(int[] nums, int m) {
        int n = nums.length;
        int[][] dp = new int[n + 1][m + 1];
        // 求前缀和
        int[] sum = new int[n + 1];
        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            sum[i] = sum[i - 1] + nums[i - 1];
        }
        for(int i = 1; i <= n; i++){
            dp[i][0] = Integer.MAX_VALUE;
        }

        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            for (int j = 1; j <= Math.min(m, i); j++) {
                dp[i][j] = Integer.MAX_VALUE;
                for (int k = j - 1; k < i; k++) {
                    dp[i][j] = Math.min(dp[i][j], Math.max(dp[k][j - 1], sum[i] - sum[k]));
                }
            }
        }
        return dp[n][m];
    }

其实初始化部分就相当于只把dp[0][0]赋值为0,其余全部初始化为Integer.MAX_VALUE,可以将其从循环中拿出来在最开始的位置初始化,都是一样的。

二分法

做这道题我只想到了动态规划的方法,二分法还真的是没有什么思路,不过看了眼题解豁然开朗。二分法的主要思想就是遍历可能的结果,然后验证其正确性,最终锁定一个正确的元素就是正确答案了。首先就是高低取值的范围,很显然最大值就是整个数组划分为一个子数组所得到的值,也就是数组所有元素的和;而最小值也就是将数组的n个元素划分为n个子数组,求的其中的最大值,也就是所有元素中最大元素的值。
范围有了,还需要的就是怎样迭代,核心思想是验证,那么验证数值mid通过的情况(也就是数组可以划分为m个连续子数组,且保证子数组的和均小于mid),这时比mid大的数肯定可以通过验证,而比mid的小的就不一定,所以要更新右边界;反之更新左边界。
还需要考虑的就是验证方法,如果直接考虑分割m个子数组的可能性还是很多的,但是如果反过来考虑保证子数组的和小于mid,求分割的子数组的个数,这样验证就会简单许多,只要求出来的子数组的个数不超过m就可以通过验证。因为分割4次就可以满足子数组和小于k了,多分割几次也是肯定满足条件的。

完整代码

class Solution {
    public int splitArray(int[] nums, int m) {
        int n = nums.length;
        // 求前缀和
        int sum = 0;
        int maxNum = 0;
        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            sum += nums[i - 1];
            maxNum = Math.max(maxNum, nums[i - 1]);
        }

        int l = maxNum, r = sum;
        while (l < r) {
            int mid = l + (r - l) / 2;
            if (check(nums, mid, m)) {
                r = mid;
            } else {
                l = mid + 1;
            }
        }
        return l;
    }

    /**
     * 检查数组是否能划分为和不超过k的m个连续子数组
     * 
     * @param nums
     * @param k
     * @param m
     * @return
     */
    public boolean check(int[] nums, int k, int m) {
        int count = 1;
        int tempSum = 0;
        for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
            if (tempSum + nums[i] > k) {
                tempSum = nums[i];
                count++;
            } else {
                tempSum += nums[i];
            }
        }
        return count <= m;
    }
}

二分法其实要简单许多,主要是验证通过的check函数,二分部分就是套一个格式即可。不过二分法的效率确实要高很多,通常在求(使...的最大值尽可能小)就可以考虑使用二分法,真的学习到了一些套路。
如果文章有写的不对的地方还请指出。
感恩相遇~

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