代码随想录算法day37 | 动态规划算法part10 | 300.最长递增子序列,674. 最长连续递增序列,718. 最长重复子数组

今天开始正式子序列系列!!!!!

300.最长递增子序列

本题是比较简单的,感受感受一下子序列题目的思路。

力扣题目链接(opens new window)

给你一个整数数组 nums ,找到其中最长严格递增子序列的长度。

子序列是由数组派生而来的序列,删除(或不删除)数组中的元素而不改变其余元素的顺序。例如,[3,6,2,7] 是数组 [0,3,1,6,2,2,7] 的子序列。

示例 1:

  • 输入:nums = [10,9,2,5,3,7,101,18]
  • 输出:4
  • 解释:最长递增子序列是 [2,3,7,101],因此长度为 4 。

示例 2:

  • 输入:nums = [0,1,0,3,2,3]
  • 输出:4

示例 3:

  • 输入:nums = [7,7,7,7,7,7,7]
  • 输出:1

提示:

  • 1 <= nums.length <= 2500
  • -10^4 <= nums[i] <= 104

首先通过本题大家要明确什么是子序列,“子序列是由数组派生而来的序列,删除(或不删除)数组中的元素而不改变其余元素的顺序”。

如果没接触过这种题目的话,本题还是很难的,甚至想暴力去搜索也不知道怎么搜。 子序列问题是动态规划解决的经典问题,当前下标 i 的递增子序列长度,其实和 i 之前的下标 j 的子序列长度有关系,那又是什么样的关系呢。

接下来,我们依然用动规五部曲来详细分析一波:

  • dp[i]的定义

本题中,正确定义dp数组的含义十分重要。

dp[i]表示 i 之前包括 i 的以 nums[i] 结尾的最长递增子序列的长度

为什么一定表示 “以nums[i]结尾的最长递增子序” ,因为我们在做递增比较的时候,如果比较 nums[j] 和 nums[i] 的大小,那么两个递增子序列一定分别以 nums[j] 为结尾和 nums[i] 为结尾, 要不然这个比较就没有意义了,不是尾部元素的比较那么 如何算递增呢。

  • 状态转移方程

位置 i 的最长升序子序列等于 j 从 0 到 i-1 各个位置的最长升序子序列 + 1 的最大值。

所以:if (nums[i] > nums[j]) dp[i] = max(dp[i], dp[j] + 1);

注意这里不是要dp[i] 与 dp[j] + 1进行比较,而是我们要取dp[j] + 1的最大值

  • dp[i]的初始化

每一个 i,对应的 dp[i](即最长递增子序列)起始大小至少都是 1.

  • 确定遍历顺序

dp[i] 是有 0 到 i-1 各个位置的最长递增子序列推导而来,那么遍历 i 一定是从前向后遍历。

j 其实就是遍历 0 到 i-1,那么是从前到后,还是从后到前遍历都无所谓,只要吧 0 到 i-1 的元素都遍历了就行了。 所以默认习惯从前向后遍历。

遍历 i 的循环在外层,遍历 j 则在内层,代码如下:

for (int i = 1; i < nums.length; i++) {for (int j = 0; j < i; j++) {if (nums[i] > nums[j]) dp[i] = max(dp[i], dp[j] + 1);}if (dp[i] > result) result = dp[i]; // 取长的子序列
}
  • 举例推导dp数组

输入:[0,1,0,3,2],dp数组的变化如下:

300.最长上升子序列

如果代码写出来,但一直AC不了,那么就把dp数组打印出来,看看对不对!

以上五部分析完毕,Java代码如下:

class Solution {public int lengthOfLIS(int[] nums) {if (nums.length <= 1) return nums.length;int[] dp = new int[nums.length];int res = 1;Arrays.fill(dp, 1);for (int i = 1; i < dp.length; i++) {for (int j = 0; j < i; j++) {if (nums[i] > nums[j]) {dp[i] = Math.max(dp[i], dp[j] + 1);}}res = Math.max(res, dp[i]);}return res;}
}
  • 时间复杂度: O(n^2)
  • 空间复杂度: O(n)

总结

本题最关键的是要想到dp[i]由哪些状态可以推出来,并取最大值,那么很自然就能想到递推公式:dp[i] = max(dp[i], dp[j] + 1);

子序列问题是动态规划的一个重要系列,本题算是入门题目,好戏刚刚开始!


674. 最长连续递增序列

本题相对于 300.最长递增子序列 最大的区别在于“连续”。

力扣题目链接(opens new window)

给定一个未经排序的整数数组,找到最长且 连续递增的子序列,并返回该序列的长度。

连续递增的子序列 可以由两个下标 l 和 r(l < r)确定,如果对于每个 l <= i < r,都有 nums[i] < nums[i + 1] ,那么子序列 [nums[l], nums[l + 1], ..., nums[r - 1], nums[r]] 就是连续递增子序列。

示例 1:

  • 输入:nums = [1,3,5,4,7]
  • 输出:3
  • 解释:最长连续递增序列是 [1,3,5], 长度为3。尽管 [1,3,5,7] 也是升序的子序列, 但它不是连续的,因为 5 和 7 在原数组里被 4 隔开。

示例 2:

  • 输入:nums = [2,2,2,2,2]
  • 输出:1
  • 解释:最长连续递增序列是 [2], 长度为1。

提示:

  • 0 <= nums.length <= 10^4
  • -10^9 <= nums[i] <= 10^9

动规五部曲分析如下:

  • 确定dp数组(dp table)以及下标的含义

dp[i]:以下标 i 为结尾的连续递增的子序列长度为 dp[i]

注意这里的定义,一定是以下标 i 为结尾,并不是说一定以下标 0 为起始位置。

  • 确定递推公式

如果 nums[i] > nums[i - 1],那么以 i 为结尾的连续递增的子序列长度 一定等于以 i - 1 为结尾的连续递增的子序列长度 + 1 。

即:dp[i] = dp[i - 1] + 1;

注意这里就体现出和上一题的区别!

因为本题要求连续递增子序列,所以就只要比较 nums[i] 与 nums[i - 1],而不用去比较 nums[j] 与 nums[i] (j 是在 0 到 i 之间遍历)。

既然不用 j 了,那么也不用两层 for 循环,本题一层 for 循环就行,比较 nums[i] 和 nums[i - 1]。

这里大家要好好体会一下!

  • dp数组如何初始化

以下标 i 为结尾的连续递增的子序列长度最少也应该是 1,即就是 nums[i] 这一个元素。

所以 dp[i] 应该初始 1;

  • 确定遍历顺序

从递推公式上可以看出, dp[i + 1] 依赖 dp[i],所以一定是从前向后遍历。

本文在确定递推公式的时候也说明了为什么本题只需要一层 for 循环,代码如下:

for (int i = 1; i < nums.length; i++) {if (nums[i] > nums[i - 1]) { // 连续记录dp[i] = dp[i - 1] + 1;}
}
  • 举例推导dp数组

已输入nums = [1,3,5,4,7]为例,dp数组状态如下:

674.最长连续递增序列

注意这里要取 dp[i] 里的最大值,所以 dp[2] 才是结果!

以上分析完毕,Java代码如下:

/*** 1.dp[i] 代表当前下标最大连续值* 2.递推公式 if(nums[i+1]>nums[i]) dp[i+1] = dp[i]+1* 3.初始化 都为1* 4.遍历方向,从其那往后* 5.结果推导 。。。。* @param nums* @return*/public static int findLengthOfLCIS(int[] nums) {int[] dp = new int[nums.length];for (int i = 0; i < dp.length; i++) {dp[i] = 1;}int res = 1;//可以注意到,這邊的 i 是從 0 開始,所以會出現和卡哥的C++ code有差異的地方,在一些地方會看到有 i + 1 的偏移。for (int i = 0; i < nums.length - 1; i++) {if (nums[i + 1] > nums[i]) {dp[i + 1] = dp[i] + 1;}res = res > dp[i + 1] ? res : dp[i + 1];}return res;}
  • 时间复杂度:O(n)
  • 空间复杂度:O(n)

贪心

这道题目也可以用贪心来做,也就是遇到nums[i] > nums[i - 1]的情况,count就++,否则count为1,记录count的最大值就可以了。

public static int findLengthOfLCIS(int[] nums) {if (nums.length == 0) return 0;int res = 1; // 连续子序列最少也是1int count = 1;for (int i = 0; i < nums.length - 1; i++) {if (nums[i + 1] > nums[i]) { // 连续记录count++;} else { // 不连续,count从头开始count = 1;}if (count > res) res = count;}return res;
}

总结

本题也是动规里子序列问题的经典题目,但也可以用贪心来做,大家也会发现贪心好像更简单一点,而且空间复杂度仅是O(1)。

在动规分析中,关键是要理解和 300.最长递增子序列 的区别。

要联动起来,才能理解递增子序列怎么求,递增连续子序列又要怎么求。

概括来说:不连续递增子序列的跟前 0-i 个状态有关,连续递增的子序列只跟前一个状态有关


718. 最长重复子数组

稍有难度,要使用二维dp数组了

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给两个整数数组 A 和 B ,返回两个数组中公共的、长度最长的子数组的长度。

示例:

输入:

  • A: [1,2,3,2,1]
  • B: [3,2,1,4,7]
  • 输出:3
  • 解释:长度最长的公共子数组是 [3, 2, 1] 。

提示:

  • 1 <= len(A), len(B) <= 1000
  • 0 <= A[i], B[i] < 100

注意题目中说的子数组,其实就是连续子序列。

要求两个数组中最长重复子数组,如果是暴力解法只需要先两层 for 循环确定两个数组起始位置,然后再来一个循环可以是 for 或者 while,来从两个起始位置开始比较,取得重复子数组的长度。

本题其实是动规解决的经典题目,我们只要想到 用二维数组可以记录两个字符串的所有比较情况,这样就比较好推 递推公式了。 动规五部曲分析如下:

  • 确定dp数组(dp table)以及下标的含义

dp[i][j] :以下标 i - 1 为结尾的A,和以下标 j - 1 为结尾的B,最长重复子数组长度为dp[i][j]。 (特别注意: “以下标i - 1为结尾的A” 标明一定是 以A[i-1]为结尾的字符串 )

此时细心的同学应该发现,那 dp[0][0] 是什么含义呢?总不能是以下标 -1 为结尾的 A 数组吧。

其实 dp[i][j] 的定义也就决定着,我们在遍历 dp[i][j] 的时候 i 和 j 都要从1开始。

那有同学问了,我就定义 dp[i][j] 为以下标 i 为结尾的A,和以下标 j 为结尾的B,最长重复子数组长度。不行么?

行倒是行! 但实现起来就麻烦一点,需要单独处理初始化部分,在本题解下面的拓展内容里,我给出了 第二种 dp数组的定义方式所对应的代码和讲解,大家比较一下就了解了。

  • 确定递推公式

根据 dp[i][j] 的定义,dp[i][j] 的状态只能由 dp[i - 1][j - 1] 推导出来。

即当 A[i - 1] 和 B[j - 1] 相等的时候,dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1] + 1;

根据递推公式可以看出,遍历i 和 j 要从1开始!

  • dp数组如何初始化

根据 dp[i][j] 的定义,dp[i][0] 和 dp[0][j] 其实都是没有意义的!

但 dp[i][0] 和 dp[0][j]要初始值,因为为了方便递归公式dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1] + 1;

所以 dp[i][0] 和 dp[0][j] 初始化为 0。

举个例子 A[0] 如果和 B[0] 相同的话,dp[1][1] = dp[0][0] + 1,只有 dp[0][0] 初始为 0,正好符合递推公式逐步累加起来。

  • 确定遍历顺序

外层for循环遍历A,内层for循环遍历B。

那又有同学问了,外层for循环遍历B,内层for循环遍历A。不行么?

也行,一样的,我这里就用外层for循环遍历A,内层for循环遍历B了。

同时题目要求长度最长的子数组的长度。所以在遍历的时候顺便把dp[i][j]的最大值记录下来。

代码如下:

for (int i = 1; i <= nums1.length; i++) {for (int j = 1; j <= nums2.length; j++) {if (nums1[i - 1] == nums2[j - 1]) {dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1] + 1;}if (dp[i][j] > result) result = dp[i][j];}
}
  • 举例推导dp数组

拿示例1中,A: [1,2,3,2,1],B: [3,2,1,4,7]为例,画一个dp数组的状态变化,如下:

718.最长重复子数组

以上五部曲分析完毕,Java代码如下:

class Solution {public int findLength(int[] nums1, int[] nums2) {int result = 0;int[][] dp = new int[nums1.length + 1][nums2.length + 1];for (int i = 1; i < nums1.length + 1; i++) {for (int j = 1; j < nums2.length + 1; j++) {if (nums1[i - 1] == nums2[j - 1]) {dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1] + 1;result = Math.max(result, dp[i][j]);}}}return result;}
}
  • 时间复杂度:O(n × m),n 为A长度,m为B长度
  • 空间复杂度:O(n × m)

滚动数组

在如下图中:

718.最长重复子数组

我们可以看出 dp[i][j] 都是由 dp[i - 1][j - 1] 推出。那么压缩为一维数组,也就是 dp[j] 都是由 dp[j - 1] 推出。

也就是相当于可以把上一层 dp[i - 1][j] 拷贝到下一层 dp[i][j] 来继续用。

此时遍历B数组的时候,就要从后向前遍历,这样避免重复覆盖

class Solution {public int findLength(int[] nums1, int[] nums2) {int[] dp = new int[nums2.length + 1];int result = 0;for (int i = 1; i <= nums1.length; i++) {for (int j = nums2.length; j > 0; j--) {if (nums1[i - 1] == nums2[j - 1]) {dp[j] = dp[j - 1] + 1;} else {dp[j] = 0;}result = Math.max(result, dp[j]);}}return result;}
}
  • 时间复杂度:$O(n × m)$,n 为A长度,m为B长度
  • 空间复杂度:$O(m)$

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