最长递增子序列 O(NlogN)算法

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Ubuntu 9.04入门小结

May 13

felix021 @ 2009-5-13 04:15 [IT » 程序设计] 评论(54) , 引用(0) , 阅读(139975) | Via 本站原创

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今天回顾WOJ1398，发现了这个当时没有理解透彻的算法。
看了好久好久，现在终于想明白了。
试着把它写下来，让自己更明白。

最长递增子序列，Longest Increasing Subsequence 下面我们简记为 LIS。
排序+LCS算法以及 DP算法就忽略了，这两个太容易理解了。

假设存在一个序列d[1..9] = 2 1 5 3 6 4 8 9 7，可以看出来它的LIS长度为5。
下面一步一步试着找出它。
我们定义一个序列B，然后令 i = 1 to 9 逐个考察这个序列。
此外，我们用一个变量Len来记录现在最长算到多少了

首先，把d[1]有序地放到B里，令B[1] = 2，就是说当只有1一个数字2的时候，长度为1的LIS的最小末尾是2。这时Len=1

然后，把d[2]有序地放到B里，令B[1] = 1，就是说长度为1的LIS的最小末尾是1，d[1]=2已经没用了，很容易理解吧。这时Len=1

接着，d[3] = 5，d[3]>B[1]，所以令B[1+1]=B[2]=d[3]=5，就是说长度为2的LIS的最小末尾是5，很容易理解吧。这时候B[1..2] = 1, 5，Len＝2

再来，d[4] = 3，它正好加在1,5之间，放在1的位置显然不合适，因为1小于3，长度为1的LIS最小末尾应该是1，这样很容易推知，长度为2的LIS最小末尾是3，于是可以把5淘汰掉，这时候B[1..2] = 1, 3，Len = 2

继续，d[5] = 6，它在3后面，因为B[2] = 3, 而6在3后面，于是很容易可以推知B[3] = 6, 这时B[1..3] = 1, 3, 6，还是很容易理解吧？ Len = 3 了噢。

第6个, d[6] = 4，你看它在3和6之间，于是我们就可以把6替换掉，得到B[3] = 4。B[1..3] = 1, 3, 4， Len继续等于3

第7个, d[7] = 8，它很大，比4大，嗯。于是B[4] = 8。Len变成4了

第8个, d[8] = 9，得到B[5] = 9，嗯。Len继续增大，到5了。

最后一个, d[9] = 7，它在B[3] = 4和B[4] = 8之间，所以我们知道，最新的B[4] =7，B[1..5] = 1, 3, 4, 7, 9，Len = 5。

于是我们知道了LIS的长度为5。

!!!!! 注意。这个1,3,4,7,9不是LIS，它只是存储的对应长度LIS的最小末尾。有了这个末尾，我们就可以一个一个地插入数据。虽然最后一个d[9] = 7更新进去对于这组数据没有什么意义，但是如果后面再出现两个数字 8 和 9，那么就可以把8更新到d[5], 9更新到d[6]，得出LIS的长度为6。

然后应该发现一件事情了：在B中插入数据是有序的，而且是进行替换而不需要挪动——也就是说，我们可以使用二分查找，将每一个数字的插入时间优化到O(logN)~~~~~于是算法的时间复杂度就降低到了O(NlogN)～！

代码如下:

//在非递减序列 arr[s..e]（闭区间）上二分查找第一个大于等于key的位置，如果都小于key，就返回e+1
int upper_bound(int arr[], int s, int e, int key)
{
int mid;
if (arr[e] <= key)
return e + 1;
while (s < e)
{
mid = s + (e - s) / 2;
if (arr[mid] <= key)
s = mid + 1;
else
e = mid;
}
return s;
}

int LIS(int d[], int n)
{
int i = 0, len = 1, *end = (int *)alloca(sizeof(int) * (n + 1));
end[1] = d[0]; //初始化：长度为1的LIS末尾为d[0]
for (i = 1; i < n; i++)
{
int pos = upper_bound(end, 1, len, d[i]); //找到插入位置
end[pos] = d[i];
if (len < pos) //按需要更新LIS长度
len = pos;
}
return len;
}

update @ 2016-08-21

没想到7年多了还要更新一下……

有几位同学在评论中问到如何给出一个LIS而不仅是计算长度。具体的代码我没有写过，不过大概可以这么实现：更新B[i]的时候，把记下来数字在原来数组中的下标也记下来（被替换的数据保留在一个后备数组中）。等到得出 B[n] 了以后，用贪心算法往前回溯，每次找出B[i-1]对应后备数组中值小于B[i]、下标小于B[i]下标、且在该后备数组中下标最大的那个。

update @ 2017-04-16

补充一下，由于上面那段代码用的是upper_bound，所以实际上求的是最长不下降子序列；如果要求递增子序列，应该改用lower_bound。

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