题目分析
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这也属于搜索问题。我们首先想象最长递增子序列(LIS)具有什么样的特征,然后根据这种特征来扫描输入。
如果存在某个数字X
比某个已有的递增子序列的最后一个元素E
要大,且X
在E
的右边,那么X
就可以添加到这个递增子序列的末尾,从而使递增子序列的长度更大。
等等,某个已有的递增子序列又是哪个子序列呢?我们希望,这个序列应该也是某一种最长递增子序列(LIS),从而我们的问题能够被递归地求解。
考虑2, 11, 4, 12, 6, 1
。
很容易看出LIS是2, 4, 6
,它是通过2, 4
的末尾增加6
构成的。2, 4
能与6
组合,当且仅当2, 4
是满足以下条件的最长递增子序列(LIS):
- 所有元素都在
6
左边(也就是结尾元素在6
左边) - 最大元素比
6
小(也就是结尾元素比6
小)
那么,在我们不知道答案的情况下,当我们扫描到6
的时候,应该怎样找出2, 4
呢?
为了找出能与6
组合的LIS,我们要依次检查结尾元素在6
左边且比6
小的LIS:
- 以2结尾的LIS
- 以4结尾的LIS
在这些LIS中,长度最长的那个就可以与6
进行组合,形成以6
结尾的LIS。
递归的关系在这里出现了:为了找到以6结尾的LIS,我们需要先找到以2结尾的LIS和以4结尾的LIS(也就是那些结尾元素比当前元素小且在当前元素左边的LIS)。
从动态规划的角度看,一个较大的父问题被分解为了两个较小的子问题,且父问题和子问题是同一种问题。
既然我们已经可以递归地找到以X结尾的LIS,为了利用这一点,我们就将整个问题转化为:对于输入序列中的每个元素X,分别找出找出以X结尾的LIS,其中长度最长的,就是我们要找的最终LIS。
动态规划进一步要求问题的解决顺序,先解决较小的问题,然后用较小问题的答案来解决较大的问题,而不要使用递归的方式。看下面的代码实现。
代码实现
class Solution
{
public:
int lengthOfLIS(vector<int> &nums)
{
const int size = nums.size();
if (size < 1)
return 0;
int max_length = 1;
// lengthOfLISEndAtI[i]存储了:以nums[i]结尾的LIS的长度。
vector<int> lengthOfLISEndAtI(size, 1);
for (int i = 1; i < size; i++)
{
// 当前扫描到的元素是nums[i]
for (int j = 0; j < i; j++)
{
// 找出那些在nums[i]左边且比nums[i]小的元素
if (nums[j] >= nums[i])
continue;
// 以nums[j]结尾的LIS与nums[i]组合,是否能产生更长的LIS(以nums[i]结尾)
if (lengthOfLISEndAtI[i] < lengthOfLISEndAtI[j] + 1)
{
lengthOfLISEndAtI[i] = lengthOfLISEndAtI[j] + 1;
}
}
// 以哪个元素结尾的LIS最长
if (max_length < lengthOfLISEndAtI[i])
{
max_length = lengthOfLISEndAtI[i];
}
}
return max_length;
}
};
此算法的时间复杂度是O(n^2)。用了2层嵌套循环:
- 外层循环用来逐个扫描输入,假设当前扫描到的元素是X
- 内层循环用来找出在X的左边(也就是已经扫描过的),且值比X小的元素E,使X能拼接到以E结尾的LIS的后面
如果用二叉树来存储已经扫描过的节点,那么内层查找的时间复杂度能降低为O(logn)。从而整个算法的时间复杂度降低为O(nlogn)。
可以看出,我们在计算lengthOfLISEndAtI[i]用到了lengthOfLISEndAtI[j](其中j比i小),lengthOfLISEndAtI[j]在此之前就已经算出来了。因此,只要按照合适的顺序来求解小问题,我们将大问题分解为小问题的时候就不需要递归,可以直接使用之前的计算结果。
在这里,lengthOfLISEndAtI数组有更一般的含义:它存储了子问题的计算结果,从而我们在计算父问题的时候可以直接使用。(我们计算完父问题依赖的所有子问题以后,再去计算父问题,此时子问题的结果已经在存储中了)
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