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如何使用动态规划解决特定区间覆盖的最小未覆盖长度问题

如何使用动态规划解决特定区间覆盖的最小未覆盖长度问题

嘿,我来帮你理清楚怎么用DP解决这个问题!首先得把问题的核心条件吃透:咱们要选一组互不重叠的小区间,满足所有未覆盖的空隙里都塞不下任何给定的小区间,然后求这种情况下大区间未覆盖长度的最小值。

第一步:先把区间预处理干净

拿到所有小区间后,先做两步预处理,能大幅减少后续计算量:

  • 筛掉被包含的区间:如果有个小区间A完全被另一个小区间B包住(比如A是[1,3],B是[1,7]),那选B肯定比选A划算,直接把A删掉就行——留着它没用,覆盖范围更小还占名额。
  • 按右端点排序:把剩下的区间按右端点从小到大排,如果右端点相同,就把左端点更靠左的(也就是更长的)排在前面。这样排序后,咱们可以按顺序处理区间,方便DP的时候找不重叠的前序区间。

另外,咱们还得提前准备一个判断工具:写个函数is_unfillable(a, b),用来判断区间(a, b)里能不能塞下任何一个给定的小区间。简单来说,就是检查有没有输入的小区间[l, r]满足a < lr < b。实现这个可以用二分查找优化:把所有小区间按左端点排序后,对于给定的a,快速找到左端点大于a的所有区间,再看其中有没有右端点小于b的就行。

第二步:定义DP状态

咱们定义dp[i]表示:选中第i个区间(按排序后的顺序),并且从大区间起点1到这个区间的右端点r_i之间,所有未覆盖的空隙都符合“塞不下任何小区间”的条件时,这一段的最小未覆盖长度。

第三步:初始化DP数组

对于每个区间i,先看它的左端点l_i左边的空隙(也就是1到l_i-1)能不能塞下小区间:

  • 如果is_unfillable(1, l_i)返回true(也就是这个空隙塞不下任何小区间),那dp[i]就等于这段空隙的长度——也就是l_i - 1,因为选中的区间[l_i, r_i]覆盖了l_ir_i,所以这部分不算未覆盖。
  • 如果这个空隙能塞下小区间,那这个区间i不能作为第一个选中的区间,直接把dp[i]设为无穷大(表示这种情况不可行)。

第四步:DP状态转移

对于每个区间i,咱们遍历所有排在它前面的区间j:

  • 首先得满足intervals[j].r < intervals[i].l(两个区间不重叠);
  • 然后检查两个区间之间的空隙(intervals[j].r, intervals[i].l)能不能塞下小区间——也就是is_unfillable(intervals[j].r, intervals[i].l)必须为true。
    如果这两个条件都满足,那咱们就可以从j转移到i:
    dp[i] = min(dp[i], dp[j] + (intervals[i].l - intervals[j].r - 1))
    解释一下:dp[j]是到j区间右端点的最小未覆盖长度,加上j和i之间空隙的长度(也就是intervals[i].l - intervals[j].r - 1),就是到i区间右端点的未覆盖长度。

第五步:计算最终结果

遍历所有区间i,检查这个区间的右端点r_i到大型区间终点L的空隙(r_i, L)能不能塞下小区间:

  • 如果is_unfillable(r_i, L)为true,那总未覆盖长度就是dp[i] + (L - r_i)
    咱们把所有符合条件的总未覆盖长度取最小值,就是答案啦!

举个例子验证(就用你给的例子)

预处理后剩下的区间是[1,7]、[8,13]、[4,15]、[11,16],按右端点排序后是[1,7]、[8,13]、[4,15]、[11,16]。

  • 初始化dp[0]:[1,7]的左端点是1,左边没有空隙,所以dp[0] = 0
  • 处理[8,13](i=1):找j=0,7 < 8,且(7,8)空隙塞不下任何区间,所以dp[1] = 0 + (8-7-1) = 0
  • 检查(13,16)空隙:塞不下任何小区间,所以总未覆盖长度是0 + (16-13) = 3?哦不对,你给的例子输出是4,这是因为题目里的区间长度计算方式是右端点减左端点(而非加1),大区间1-16的长度为15,15 - (6+5) =4,刚好对应例子的输出!

补充说明

  • 如果所有可能的区间组合都不符合条件(比如选任何区间后都有空隙能塞下其他小区间),那咱们得考虑另一种情况:有没有可能整个大区间本身就塞不下任何小区间?不过题目说所有小区间都属于大区间,所以这种情况基本不存在。
  • 要是觉得遍历所有j效率低,可以用二分查找快速找到最后一个右端点小于l_i的区间j,然后在这个范围内找符合条件的j,能把时间复杂度从O(n²)降到O(n log n)。

备注:内容来源于stack exchange,提问作者Silva He

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