问题
给定一个长度为N的数组,找出一个最长的单调自增子序列(不一定连续,但是顺序不能乱)。例如:给定一个长度为6的数组A{5, 6, 7, 1, 2, 8},则其最长的单调递增子序列为{5,6,7,8},长度为4.
解法1:最长公共子序列法
这个问题可以转换为最长公共子序列问题。如例子中的数组A{5,6, 7, 1, 2, 8},则我们排序该数组得到数组A‘{1, 2, 5, 6, 7, 8},然后找出数组A和A’的最长公共子序列即可。显然这里最长公共子序列为{5, 6, 7, 8},也就是原数组A最长递增子序列。最长公共子序列算法在算法导论上有详细讲解,这里简略说下思想。
假定两个序列为X={x1, x2, ..., xm}和Y={y1, y2, ..., yn),并设Z={z1, z2, ..., zk}为X和Y的任意一个LCS。
1)如果xm = yn,则zk = xm=yn,且Zk-1是Xm-1和Yn-1的一个LCS。
2)如果xm != yn, 则zk != xm蕴含Z是Xm-1和Y得一个LCS。
3)如果xm != yn, 则zk != yn蕴含Z是X和Yn-1的一个LCS。
解法2:动态规划法(时间复杂度O(N^2))
设长度为N的数组为{a0,a1, a2, ...an-1),则假定以aj结尾的数组序列的最长递增子序列长度为L(j),则L(j)={ max(L(i))+1, i<j且a[i]<a[j] }。也就是说,我们需要遍历在j之前的所有位置i(从0到j-1),找出满足条件a[i]<a[j]的L(i),求出max(L(i))+1即为L(j)的值。最后,我们遍历所有的L(j)(从0到N-1),找出最大值即为最大递增子序列。时间复杂度为O(N^2)。
例如给定的数组为{5,6,7,1,2,8},则L(0)=1, L(1)=2, L(2)=3, L(3)=1, L(4)=2, L(5)=4。所以该数组最长递增子序列长度为4,序列为{5,6,7,8}。算法代码如下:
- #include<iostream>
- usingnamespacestd;
- #definelen(a)(sizeof(a)/sizeof(a[0]))//数组长度
- intlis(intarr[],intlen)
- {
- intlongest[len];
- for(inti=0;i<len;i++)
- longest[i]=1;
- for(intj=1;j<len;j++){
- for(inti=0;i<j;i++){
- if(arr[j]>arr[i]&&longest[j]<longest[i]+1){//注意longest[j]<longest[i]+1这个条件,不能省略。
- longest[j]=longest[i]+1;//计算以arr[j]结尾的序列的最长递增子序列长度
- }
- }
- }
- intmax=0;
- for(intj=0;j<len;j++){
- cout<<"longest["<<j<<"]="<<longest[j]<<endl;
- if(longest[j]>max)max=longest[j];//从longest[j]中找出最大值
- }
- returnmax;
- }
- intmain()
- {
- intarr[]={1,4,5,6,2,3,8};//测试数组
- intret=lis(arr,len(arr));
- cout<<"maxincrementsubstringlen="<<ret<<endl;
- return0;
- }
解法3:O(NlgN)算法
假设存在一个序列d[1..9] ={ 2,1 ,5 ,3 ,6,4, 8 ,9, 7},可以看出来它的LIS长度为5。
下面一步一步试着找出它。
我们定义一个序列B,然后令 i = 1 to 9 逐个考察这个序列。
此外,我们用一个变量Len来记录现在最长算到多少了
首先,把d[1]有序地放到B里,令B[1] = 2,就是说当只有1一个数字2的时候,长度为1的LIS的最小末尾是2。这时Len=1
然后,把d[2]有序地放到B里,令B[1] = 1,就是说长度为1的LIS的最小末尾是1,d[1]=2已经没用了,很容易理解吧。这时Len=1
接着,d[3] = 5,d[3]>B[1],所以令B[1+1]=B[2]=d[3]=5,就是说长度为2的LIS的最小末尾是5,很容易理解吧。这时候B[1..2] = 1, 5,Len=2
再来,d[4] = 3,它正好加在1,5之间,放在1的位置显然不合适,因为1小于3,长度为1的LIS最小末尾应该是1,这样很容易推知,长度为2的LIS最小末尾是3,于是可以把5淘汰掉,这时候B[1..2] = 1, 3,Len = 2
继续,d[5] = 6,它在3后面,因为B[2] = 3, 而6在3后面,于是很容易可以推知B[3] = 6, 这时B[1..3] = 1, 3, 6,还是很容易理解吧? Len = 3 了噢。
第6个, d[6] = 4,你看它在3和6之间,于是我们就可以把6替换掉,得到B[3] = 4。B[1..3] = 1, 3, 4, Len继续等于3
第7个, d[7] = 8,它很大,比4大,嗯。于是B[4] = 8。Len变成4了
第8个, d[8] = 9,得到B[5] = 9,嗯。Len继续增大,到5了。
最后一个, d[9] = 7,它在B[3] = 4和B[4] = 8之间,所以我们知道,最新的B[4] =7,B[1..5] = 1, 3, 4, 7, 9,Len = 5。
于是我们知道了LIS的长度为5。
注意,这个1,3,4,7,9不是LIS,它只是存储的对应长度LIS的最小末尾。有了这个末尾,我们就可以一个一个地插入数据。虽然最后一个d[9] = 7更新进去对于这组数据没有什么意义,但是如果后面再出现两个数字 8 和 9,那么就可以把8更新到d[5], 9更新到d[6],得出LIS的长度为6。
然后应该发现一件事情了:在B中插入数据是有序的,而且是进行替换而不需要挪动——也就是说,我们可以使用二分查找,将每一个数字的插入时间优化到O(logN)~~~~~于是算法的时间复杂度就降低到了O(NlogN)~!
代码如下(代码中的数组B从位置0开始存数据):
- #include<stdio.h>
- #include<stdlib.h>
- #include<string.h>
- #defineN9//数组元素个数
- intarray[N]={2,1,6,3,5,4,8,7,9};//原数组
- intB[N];//在动态规划中使用的数组,用于记录中间结果,其含义三言两语说不清,请参见博文的解释
- intlen;//用于标示B数组中的元素个数
- intLIS(int*array,intn);//计算最长递增子序列的长度,计算B数组的元素,array[]循环完一遍后,B的长度len即为所求
- intBiSearch(int*b,intlen,intw);//做了修改的二分搜索算法
- intmain()
- {
- printf("LIS:%d ",LIS(array,N));
- inti;
- for(i=0;i<len;++i)
- {
- printf("B[%d]=%d ",i,B[i]);
- }
- return0;
- }
- intLIS(int*array,intn)
- {
- len=1;
- B[0]=array[0];
- inti,pos=0;
- for(i=1;i<n;++i)
- {
- if(array[i]>B[len-1])//如果大于B中最大的元素,则直接插入到B数组末尾
- {
- B[len]=array[i];
- ++len;
- }
- else
- {
- pos=BiSearch(B,len,array[i]);//二分查找需要插入的位置
- B[pos]=array[i];
- }
- }
- returnlen;
- }
- //修改的二分查找算法,返回数组元素需要插入的位置。
- intBiSearch(int*b,intlen,intw)
- {
- intleft=0,right=len-1;
- intmid;
- while(left<=right)
- {
- mid=left+(right-left)/2;
- if(b[mid]>w)
- right=mid-1;
- elseif(b[mid]<w)
- left=mid+1;
- else//找到了该元素,则直接返回
- returnmid;
- }
- returnleft;//数组b中不存在该元素,则返回该元素应该插入的位置
- }