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单调队列

王朝百科·作者佚名  2011-05-18  
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什么是单调队列不妨用一个问题来说明单调队列的作用和操作:

不断地向buffer里读入元素,也不时地去掉最老的元素,不定期的询问当前buffer里的最小的元素。

最StraightForward的方法:普通队列实现buffer。

进队出队都是O(1),一次查询需要遍历当前队列的所有元素,故O(n)。

用堆实现buffer。

堆顶始终是最小元素,故查询是O(1)。

而进队出队,都要调整堆,是O(logn)。

RMQ的方法

使用Segment Tree或Sparse Table,线段树没写过(树状数组用过),是logn级的;稀疏表不懂,只知道是logn级的。对于这类问题这两种方法也搞得定,但是没有本文主人公来得快。

单调队列的舞台

由于单调队列的队头每次一定最小值,故查询为O(1)。

进队出队稍微复杂点:

进队时,将进队的元素为e,从队尾往前扫描,直到找到一个不大于e的元素d,将e放在d之后,舍弃e之后的所有元素;如果没有找到这样一个d,则将e放在队头(此时队列里只有这一个元素)。

出队时,将出队的元素为e,从队头向后扫描,直到找到一个元素f比e后进队,舍弃f之前所有的。(实际操作中,由于是按序逐个出队,所以每次只需要出队只需要比较队头)。

每个元素最多进队一次,出队一次,摊派分析下来仍然是 O(1)。

上面的话可能还是没能讲出单调队列的核心:队列并不实际存在的,实际存在的是具有单调性的子序列。对这个子序列按心中的队列进行操作,譬如在进队时丢弃的元素,虽然它不存在于这个子序列里,但是还是认为他存在于队列里。

poj 2823是一个典型的单调队列题,不过因为题目要求中大量的输入输出的使得时间要求竟然卡scanf和printf的字符串解析(直接实现要5000ms),害得我极其猥琐的手动输入输出解析(800+ms),真是不爽。

另外进队的顺序和出队的顺序并不一定相同,因为这个队列本身是隐含存在的,可以在进队时看成一个队列,出队时看成另一个队列,只要出队的元素在队列中就行。可以想象成一个队列只有头和身,另一个队列只有身和尾,而这身是共用的。

在信息学竞赛的一些应用先介绍单调队列

做动态规划时常常会见到形如这样的转移方程:

f[x] = max or min{g(k) | b[x] <= k < x} + w[x]

(其中b[x]随x单调不降,即b[1]<=b[2]<=b[3]<=...<=b[n])

(g[k]表示一个和k或f[k]有关的函数,w[x]表示一个和x有关的函数)

这个方程怎样求解呢?我们注意到这样一个性质:如果存在两个数j, k,使得j <= k,而且g(k) <= g(j),则决策j是毫无用处的。因为根据b[x]单调的特性,如果j可以作为合法决策,那么k一定可以作为合法决策,又因为k比j要优,(注意:在这个经典模型中,“优”是绝对的,是与当前正在计算的状态无关的),所以说,如果把待决策表中的决策按照k排序的话,则g(k)必然是不降的。

这样,就引导我们使用一个单调队列来维护决策表。对于每一个状态f(x)来说,计算过程分为以下几步:

1、 队首元素出队,直到队首元素在给定的范围中。

2、 此时,队首元素就是状态f(x)的最优决策,

3、 计算g(x),并将其插入到单调队列的尾部,同时维持队列的单调性(不断地出队,直到队列单调为止)。

重复上述步骤直到所有的函数值均被计算出来。不难看出这样的算法均摊时间复杂度是O(1)的。因此求解f(x)的时间复杂度从O(n^2)降到了O(n)。

单调队列指一个队列中的所有的数符合单调性(单调增或单调减),在信息学竞赛的一些题目上应用,会减少时间复杂度例:广告印刷(ad.pas/c/cpp)【问题描述】

最近,afy决定给TOJ印刷广告,广告牌是刷在城市的建筑物上的,城市里有紧靠着的N个建筑。afy决定在上面找一块尽可能大的矩形放置广告牌。我们假设每个建筑物都有一个高度,从左到右给出每个建筑物的高度H1,H2…HN,且0<Hi<=1,000,000,000,并且我们假设每个建筑物的宽度均为1。要求输出广告牌的最大面积。

【输入文件】

中的第一行是一个数n (n<= 400,000 )

第二行是n个数,分别表示每个建筑物高度H1,H2…HN,且0<Hi<=1,000,000,000。

【输出文件】

输出文件 ad.out 中一共有一行,表示广告牌的最大面积。

【输入样例】

6

5 8 4 4 8 4

【输出样例】

24

【解释】各个测试点一秒,

但就这道题来说,n<= 400,000,我们如果用枚举不会过全部数据,我们应设计出o(n)d的算法来解决,这是单调队列就可以派上用场了。

具体做法是 先正着扫一遍,再倒着扫一遍,找到每一个数的右极限与左极限,最后找出最大值。

代码:

program bensen;

var

temp,ans:int64;

n,p,q,i,j:longint;

a:array[0..400000] of longint;

b,r,l:array[0..400000] of longint;

begin

for i:=1 to n do

read(a[i]);

p:=1;q:=0;

for i:=1 to n+1 do

begin

while (p<=q) and (a[i]<a[b[q]]) do

begin

r[b[q]]:=i;

dec(q);

end;

inc(q);b[q]:=i;

end;

fillchar(b,sizeof(b),0);

p:=1;q:=0;

for i:=n downto 0 do

begin

while (p<=q) and (a[i]<a[b[q]]) do

begin

l[b[q]]:=i;

dec(q);

end;

inc(q);b[q]:=i;

end;

for i:=1 to n do

begin

temp:=(r[i]-l[i]-1)*a[i];

if temp>ans then ans:=temp;

end;

writeln(ans);

end.

 
 
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