【动态规划】滚动数组的求解（C++）

　　虽然接触动态规划算法已经有一段时间，给一个01背包问题，能够做到一个表格简单粗暴下去，然后求得结果，但心里总觉得对这个算法理解十分不到位，抱着对算法的热爱，网上很多大牛的算法思维实在让我佩服的五体投地。在此讲一讲动态规划中滚动数组的求解方法，算是对这个知识点做一个记录，也希望有写的不妥的地方，大家能不吝赐教。

　　首先，我们先看看“滚动数组”的例题，大家可以参考http://www.lintcode.com/en/problem/house-robber/

　　题意大概就是说：一个盗贼要去偷盗一系列房子的财物，房子之间有报警器，当且仅当两个相邻的房子同时被偷盗的时候会自动报警，每个房子有一定的价值量，请问盗贼怎么做才能偷到最大价值的量。

　　求解这类题目要注意以下四点要素（也可以说是动态规划题目的四点要素）：

　　1、状态（State）

　　　　用于存储小规模问题的结果

　　2、方程（Function）

　　　　由状态推出的一个方程，即怎么通过小的状态来推出大的状态

　　3、初始化（Initialization）

　　　　最初的状态，作为方程的起点

　　4、结果（Result）

　　　　根据每步的状态求出的结果

　　回到House-Robber这个题目，这个题目是个典型的滚动数组类型题。给定一个数组，我们不能够取相邻的两个元素，怎么取法可以使取得的结果和最大。比如给定[4,9,1]，我们可以取[4,1]或者取[9]，很明显一个结果是5，一个结果是9，所以我们这里的结果应该是后者的取法。在状态的确立上，我们可以这么理解，用A[n]数组表示每个元素（下标从0开始），当我们遇到第 i 个元素的时候，我们是取不取，当我们取了第i-1个元素的时候，我们就不能取了，要不就去掉第i-1个元素，以便于取得第i个元素。如果我们用f[n]来代表当遇到第n个元素，我们做出行动（取还是不取）之后，能够获得的最大值，那当取到第i个元素的时候，我们就是判断f[i-2] + A[i]和f[i-1]的大小，然后f[i] = max(f[i-2]+A[i],f[i-1])，你说是不是呢？我们无须去管i-3之前的元素是怎么取的，因为按照这个规律来，在f[i-2]已经包含了到i-2个元素位置能够取得的最大量了。

　　至此，以上已经阐明了这个思路的【状态】还有【方程】，剩下【初始化状态】和【结果】，我们可以注意到确定第i个方程的结果，往前需要用到i-2的元素，所以第0个元素和第1一个元素需要作为初始化的内容，因为这两个元素均不能用i-2的元素推倒出来，所以有f[0] = A[0],f[1] = max(A[1],A[0])。而结果就是我们对第n-1个元素做出行动之后的结果，该结果存储在f[n-1]当中。

通过代码实现：

long long houseRobber(vector<int> A){
        if( == A.size()) return ;
        int f[A.size()];
        f[] = A[];
        if(A.size()>) f[] = max(A[],A[]);
        for(int i =;i<A.size();i++)
            f[i] = A[i] + f[i-]> f[i-]? A[i] +f[i-]:f[i-];
        return f[A.size()-];
    }

这样，在时间复杂度O(n)可以求得结果，空间复杂度为O(n)。

【在这里我稍微拓展一下，f[i]的结果是通过对比f[i-2]+A[i]和f[i-1]的结果得来的，那其实i-3及其以前的空间都不需要再用到，所以我们可以只用三个空间重复使用来表示每一个状态，以达到空间复杂度为O(1)】

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　　以上就是对一位数组的滚动数组算法求解过程，接下来探讨一下二维数组的滚动数组求解过程，大家可以参考http://www.lintcode.com/en/problem/maximal-square/

　　题意：给定一个只包含01的二维数组，求出最大的正方形，使这个正方形的所有元素都为1

　　我们用Matrix[n][m]表示这个二维数组，dp[n][m]表示左上角最大符合条件的正方形边长。首先，四个要素我们先来确定一下。【状态】我们要确定第[i,j]的状态要怎么确定呢，往前推一步有三个状态，分别是[i-1,j],[i,j-1]和[i-1,j-1]，这三个状态同样表示了左上角最大的正方形，我们通过图来表示理解一下：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　这里为了方便画出了dp[i-1][j],dp[i][j-1],dp[i-1][j-1]相等的情况，可以很容易看出，当dp[i-1][j],dp[i][j-1],dp[i-1][j-1]相等的时候dp[i][j]等于dp[i-1][j],dp[i][j-1],dp[i-1][j-1]其中的一个加上1，如果dp[i-1][j],dp[i][j-1],dp[i-1][j-1]不相等，那dp[i][j]取决于dp[i-1][j],dp[i][j-1],dp[i-1][j-1]之中小的那一个，这里偷懒就不画图了，大家可以自己动手画画看，嘿嘿~。因此【状态】确定了，【方程】也就容易得到dp[i][j] = min(dp[i-1][j],dp[i][j-1],dp[i-1][j-1])+1。【初始化状态】可以想到从[1,1]开始才能应用这个方程（假定我们是从[0,0]向[n,m]逐渐确定状态），所以i=0和j=0都是需要初始化的内容，这种情况下dp[i][j] = Matrix[i][j]。【结果】为dp矩阵中最大值的平方max{dp[n][m]}²。

代码实现：

int maxSquare(vector<vector<int> > &matrix) {
        // write your code here
        int row = matrix.size();
        int col = matrix[].size();
        int dp[row][col];
        int _max = ;
        for(int i =;i<row;i++){
            dp[i][] = matrix[i][];
            dp[i][col-] = matrix[i][col-];
            _max = dp[i][]|dp[i][col-];
        }
        for(int i =;i<col;i++){
            dp[][i] = matrix[][i];
            dp[row-][i] = matrix[row-][i];
            _max = dp[][i]|dp[row-][i];
        }
        for(int i =;i<row;i++)
            for(int j = ;j<col;j++){
                if( == matrix[i][j]) dp[i][j] = min3(dp[i-][j],dp[i][j-],dp[i-][j-]) +;
                else dp[i][j] = matrix[i][j];
                _max = max(dp[i][j],_max);

            }
        return _max*_max;
    }

时间复杂度为O(n*m)，空间复杂度为O(n*m)

【拓展：参考一位数组的拓展思路，我们确定[i,j]个状态，分别用到[i-1,j],[i,j-1],[i-1,j-1]这三个状态，所以我们可以想到可以用4个空间来重复表示各个状态，但由于对于二维数组，当换行的时候到了行首会丢失这个状态(因为4个空间在表示上一行末尾的四个状态了)，所以我们只能用两行（2*n）个空间来维持这个状态】下面给出拓展后的代码，大家仅供参考，因为初始化状态被写在遍历过程中，可能会造成混乱，请谅解：

int maxSquare(vector<vector<int> > &matrix) {
        int row = matrix.size();
        int col = matrix[].size();
        int dp[][col];
        int _max = ;
        for(int i =;i<col;i++) dp[][i] = matrix[][i];
        for(int i =;i<row;i++)
            for(int j=;j<col;j++){
                if(  == j ) dp[][j] = matrix[i][j];
                else{
                    if( == matrix[i][j]) dp[][j] = min3(dp[][j],dp[][j-],dp[][j-])+;
                    else dp[][j] = ;
                }
                _max = max(_max,dp[][j]);
                dp[][j-] = dp[][j-];
            }
            dp[][col-] = dp[][col-];
        return _max*_max;
    }

这样空间复杂度可以降到O(m)。

以上为个人对滚动数组的求解过程的理解，每一句代码均经过本人测试可用，如有问题，希望大家提出斧正。

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