动态规划之状态压缩dp入门

状态压缩动态规划(简称状压dp)是另一类非常典型的动态规划,通常使用在NP问题的小规模求解中,虽然是指数级别的复杂度,但速度比搜索快,其思想非常值得借鉴。

为了更好的理解状压dp,首先介绍位运算相关的知识。

1.’&’符号,x&y,会将两个十进制数在二进制下进行与运算,然后返回其十进制下的值。例如3(11)&2(10)=2(10)。

2.’|’符号,x|y,会将两个十进制数在二进制下进行或运算,然后返回其十进制下的值。例如3(11)|2(10)=3(11)。

3.’^’符号,x^y,会将两个十进制数在二进制下进行异或运算,然后返回其十进制下的值。例如3(11)^2(10)=1(01)。

4.’<<’符号,左移操作,x<<2,将x在二进制下的每一位向左移动两位,最右边用0填充,x<<2相当于让x乘以4。相应的,’>>’是右移操作,x>>1相当于给x/2,去掉x二进制下的最有一位。

这四种运算在状压dp中有着广泛的应用,常见的应用如下:

1.判断一个数字x二进制下第i位是不是等于1。

方法:if ( ( ( 1 << ( i – 1 ) ) & x ) > 0)

将1左移i-1位,相当于制造了一个只有第i位上是1,其他位上都是0的二进制数。然后与x做与运算,如果结果>0,说明x第i位上是1,反之则是0。

2.将一个数字x二进制下第i位更改成1。

方法:x = x | ( 1<<(i-1) )

证明方法与1类似,此处不再重复证明。

3.把一个数字二进制下最靠右的第一个1去掉。

方法:x=x&(x-1)

感兴趣的读者可以自行证明。

位运算在状压dp中用途十分广泛,请看下面的例题。

【例1】有一个N*M(N<=5,M<=1000)的棋盘,现在有1*2及2*1的小木块无数个,要盖满整个棋盘,有多少种方式?答案只需要mod1,000,000,007即可。

例如:对于一个2*2的棋盘,有两种方法,一种是使用2个1*2的,一种是使用2个2*1的。

【算法分析】

在这道题目中,N和M的范围本应该是一样的,但实际上,N和M的范围却差别甚远,对于这种题目,首先应该想到的就是,正确算法与这两个范围有关!N的范围特别小,因此可以考虑使用状态压缩动态规划的思想,请看下面的图:

假设第一列已经填满,则第二列的摆设方式,只与第一列对第二列的影响有关。同理,第三列的摆设方式也只与第二列对它的影响有关。那么,使用一个长度为N的二进制数state来表示这个影响,例如:4(00100)就表示了图上第二列的状态。

因此,本题的状态可以这样表示:

dp[i][state]表示该填充第i列,第i-1列对它的影响是state的时候的方法数。i<=M,0<=state<2N

对于每一列,情况数也有很多,但由于N很小,所以可以采取搜索的办法去处理。对于每一列,搜索所有可能的放木块的情况,并记录它对下一列的影响,之后更新状态。状态转移方程如下:

dp[i][state]=∑dp[i-1][pre]每一个pre可以通过填放成为state

对于每一列的深度优先搜索,写法如下:

//第i列,枚举到了第j行,当前状态是state,对下一列的影响是nexvoid dfs(int i,int j,int state,int nex){if (j==N){dp[i+1][nex]+=dp[i][state];dp[i+1][nex]%=mod;return;}//如果这个位置已经被上一列所占用,直接跳过if (((1<<j)&state)>0)dfs(i,j+1,state,nex);//如果这个位置是空的,尝试放一个1*2的if (((1<<j)&state)==0)dfs(i,j+1,state,nex|(1<<j));//如果这个位置以及下一个位置都是空的,尝试放一个2*1的if (j+1<N && ((1<<j)&state)==0 && ((1<<(j+1))&state)==0)dfs(i,j+2,state,nex);return;}

状态转移的方式如下:

for (int i=1;i<=M;i++){for (int j=0;j<(1<<N);j++)if (dp[i][j]){dfs(i,0,j,0);}}

最终,答案就是dp[M+1][0]。

【代码实现】

/*ID:aqxPROG:铺地砖LANG:c++*///第i列,枚举到了第j行,当前状态是state,对下一列的影响是nex#include <cstdio>#include <cstring>#include <algorithm>#include <iostream>using namespace std;int N, M;long long dp[1005][34];void dfs(int i,int j,int state,int nex){if (j==N){dp[i+1][nex]+=dp[i][state];return;}//如果这个位置已经被上一列所占用,直接跳过if (((1<<j)&state)>0)dfs(i,j+1,state,nex);//如果这个位置是空的,尝试放一个1*2的if (((1<<j)&state)==0)dfs(i,j+1,state,nex|(1<<j));//如果这个位置以及下一个位置都是空的,尝试放一个2*1的if (j+1<N && ((1<<j)&state)==0 && ((1<<(j+1))&state)==0)dfs(i,j+2,state,nex);return;}int main(){while (cin>>N>>M){memset(dp,0,sizeof(dp));if (N==0 && M==0) break;dp[1][0]=1; for (int i=1;i<=M;i++){for (int j=0;j<(1<<N);j++)if (dp[i][j]){dfs(i,0,j,0);}}cout<<dp[M+1][0]<<endl;}}

【例2】最小总代价(Vijos-1456)

题目描述:

n个人在做传递物品的游戏,编号为1-n。

游戏规则是这样的:开始时物品可以在任意一人手上,他可把物品传递给其他人中的任意一位;下一个人可以传递给未接过物品的任意一人。

即物品只能经过同一个人一次,而且每次传递过程都有一个代价;不同的人传给不同的人的代价值之间没有联系;

求当物品经过所有n个人后,整个过程的总代价是多少。

输入格式:

第一行为n,表示共有n个人(16>=n>=2);

让你的心情地落到极点,一直学习生活等各个方面都做不好,最终害的还是自己。

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