Como maximizar


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Eu vejo muitos problemas algorítmicos que sempre reduzem a algo longo as linhas de:

Você tem uma matriz inteira h[1..n]0 , precisa encontrar i,j tal que maximize (h[j]h[i])(ji) em O(n) tempo.

Obviamente, a solução do tempo de O(n2) é considerar todos os pares; no entanto, existe alguma maneira de maximizar a expressão em O(n) sem saber mais alguma coisa sobre as propriedades de h ?

Uma idéia em que pensei é consertar j , então precisamos encontrar i de 1 a j1 que seja igual a argmaxi{(h[j]h[i])(ji)} ou argmaxi{h[j]jh[j]ih[i]j+h[i]i} e comoj é fixo, precisamos doargmaxi{h[j]ijh[i]+ih[i]} .

No entanto, não vejo como me livrar dos j termos dependentes internos. Qualquer ajuda?


Uma solução O(nlogn) será útil?
Xskxzr

@xskxzr certeza se você tem algum
AspiringMat

Respostas:


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Esta é uma solução . Uma solução O ( n ) apontada por Willard Zhan é anexada no final desta resposta.O(nlogn)O(n)


Solução O ( n log n )O(nlogn)

Por conveniência, denote .f(i,j)=(h[j]h[i])(ji)

Defina e l i seja o menor índice, de modo que l i > l i - 1 e h [ l i ] < h [ l i - 1 ] . Da mesma forma, defina r 1 = n e r i seja o maior índice, de modo que r i < r i - 1 e h [ r i ] >l1=1lili>li1h[li]<h[li1]r1=nriri<ri1 . A sequências de L 1 , L 2 , . . . e r 1 , r 2 , são fáceis de calcular em O ( n ) tempo.h[ri]>h[ri1]l1,l2,...r1,r2,O(n)

O caso em que não há tal que h [ i ] < h [ j ] (isto é, f ( i , j ) > 0 ) é trivial. Agora nos concentramos em casos não triviais. Nesses casos, para encontrar a solução, precisamos apenas considerar esses pares.i<jh[i]<h[j]f(i,j)>0

Para cada tal que h [ i ] < h [ j ] , deixou u ser o maior índice de tal modo que l ui , e v ser o menor índice de tal modo que r vj , em seguida, h [ l u ] h [ i ] (caso contrário, l u + 1i, por definição de l u + 1i<jh[i]<h[j]uluivrvjh[lu]h[i]lu+1ilu+1, portanto, contradiz a definição de ) e da mesma forma h [ r v ] h [ j ] . Portanto ( h [ r v ] - h [ l u ] ) ( r v - l u ) ( h [ j ] - h [ i ] ) ( r v - l u ) ( h [uh[rv]h[j] Isso significa que precisamos considerar apenas pares ( l u , r v ) onde l u < r v .

(h[rv]h[lu])(rvlu)(h[j]h[i])(rvlu)(h[j]h[i])(ji).
(lu,rv)lu<rv

Denote , temos o seguinte lema.v(u)=argmaxv: lu<rvf(lu,rv)

Um par que e onde exista tal que e ou tal que e , não possa ser uma solução ótima final.l u < r v u 0 u < u 0 v < v ( u 0 ) u > u 0 v > v ( u 0 )(lu,rv)lu<rvu0u<u0v<v(u0)u>u0v>v(u0)

Prova. De acordo com a definição de, temos ou ( h [ r v ( u 0 ) ] - h [ l u 0 ] ) ( r v ( u 0 ) - l u 0 ) ( h [ r v ] - h [ l u 0 ] ) ( r v - l u 0 ) , ( hv(u0)

(h[rv(u0)]h[lu0])(rv(u0)lu0)(h[rv]h[lu0])(rvlu0),
(h[rv]h[rv(u0)])lu0+h[lu0](rvrv(u0))+h[rv(u0)]rv(u0)h[rv]rv(u0)0.

No caso em que e , observe e e também e , temos v < v ( u 0 ) h [ r v ] - h [ r v ( u 0 ) ] < 0 r v - r v ( u 0 ) > 0 l u < l u 0 h [ l u ] > H [ l u 0 ]u<u0v<v(u0)h[rv]h[rv(u0)]<0rvrv(u0)>0lu<lu0h[lu]>h[lu0]

(h[rv]h[rv(u0)])lu+h[lu](rvrv(u0))> (h[rv]h[rv(u0)])lu0+h[lu0](rvrv(u0)).

Isso significa ou

(h[rv]h[rv(u0)])lu+h[lu](rvrv(u0))+h[rv(u0)]rv(u0)h[rv]rv(u0)>0,
(h[rv(u0)]h[lu])(rv(u0)lu)>(h[rv]h[lu])(rvlu).

Então é uma solução estritamente melhor que . A prova para o outro caso é semelhante. (lu,rv(u0))(lu,rv)

Podemos calcular primeiro onde é o comprimento da sequência e depois calcular recursivamente a solução ideal entre s para e e a solução ideal entre s para e . Devido ao lema, a solução ideal global deve vir de .v(/2)l1,l2,o1(lu,rv)u=1,,/21v=v(/2),v(/2)+1,o2(lu,rv)u=/2+1,/2+2,v=1,,v(/2){(l/2,rv(/2)),o1,o2}


O(n) Solução

Seja se . A prova do lema também mostra uma propriedade importante: para e , se , então . Isso significa que a matriz é uma matriz totalmente monótona em que é o comprimento da sequência (então significa o ésimo elemento do final), então o algoritmo SMAWK pode ser aplicado para encontrar o valor mínimo de , portanto, o valor máximo de .f(lu,rv)=lurvu>u0v>v0f(lu0,rv0)f(lu0,rv)M [ x , y ] : = - f ( l x , r c - y + 1 ) c r 1 , r 2 , r c - y + 1 y M ff(lu,rv0)>f(lu,rv)M[x,y]:=f(lx,rcy+1)cr1,r2,rcy+1yMf


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O que você provou é que é uma matriz monótona; portanto, dividir e conquistar fornece um algoritmo . Mas você pode realmente provar que é Monge , para que o algoritmo SMAWK possa ser aplicado. O ( N log N ) f ( l u , r v ) O ( n )f(lu,rv)O(nlogn)f(lu,rv)O(n)
Willard Zhan
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