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Dynamic Programming - Maximum Subarray

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小牛编辑
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2023-12-01

Find the contiguous subarray within an array (containing at least one number) which has the largest sum.

For example, given the array [−2,1,−3,4,−1,2,1,−5,4],
the contiguous subarray [4,−1,2,1] has the largest sum = 6.

这题是一道经典的dp问题,我们可以很容易的得到其dp方程,假设dp[i]是数组a [0, i]区间最大的值,那么

dp[i + 1] = max(dp[i], dp[i] + a[i + 1])

代码如下:

  1. class Solution {
  2. public:
  3. int maxSubArray(int A[], int n) {
  4. int sum = 0;
  5. int m = INT_MIN;
  6. for(int i = 0; i < n; i++) {
  7. sum += A[i];
  8. m = max(m, sum);
  9. //如果sum小于0了,将sum重置为0,从i + 1再次开始计算
  10. if(sum < 0) {
  11. sum = 0;
  12. }
  13. }
  14. return m;
  15. }
  16. };

虽然这道题目用dp解起来很简单,但是题目说了,问我们能不能采用divide and conquer的方法解答,也就是二分法。

假设数组A[left, right]存在最大区间,mid = (left + right) / 2,那么无非就是三中情况:

  1. 最大值在A[left, mid - 1]里面
  2. 最大值在A[mid + 1, right]里面
  3. 最大值跨过了mid,也就是我们需要计算[left, mid - 1]区间的最大值,以及[mid + 1, right]的最大值,然后加上mid,三者之和就是总的最大值

我们可以看到,对于1和2,我们通过递归可以很方便的求解,然后在同第3的结果比较,就是得到的最大值。

代码如下:

  1. class Solution {
  2. public:
  3. int maxSubArray(int A[], int n) {
  4. return divide(A, 0, n - 1, INT_MIN);
  5. }
  6. int divide(int A[], int left, int right, int tmax) {
  7. if(left > right) {
  8. return INT_MIN;
  9. }
  10. int mid = left + (right - left) / 2;
  11. //得到子区间[left, mid - 1]最大值
  12. int lmax = divide(A, left, mid - 1, tmax);
  13. //得到子区间[mid + 1, right]最大值
  14. int rmax = divide(A, mid + 1, right, tmax);
  15. tmax = max(tmax, lmax);
  16. tmax = max(tmax, rmax);
  17. int sum = 0;
  18. int mlmax = 0;
  19. //得到[left, mid - 1]最大值
  20. for(int i = mid - 1; i >= left; i--) {
  21. sum += A[i];
  22. mlmax = max(mlmax, sum);
  23. }
  24. sum = 0;
  25. int mrmax = 0;
  26. //得到[mid + 1, right]最大值
  27. for(int i = mid + 1; i <= right; i++) {
  28. sum += A[i];
  29. mrmax = max(mrmax, sum);
  30. }
  31. tmax = max(tmax, A[mid] + mlmax + mrmax);
  32. return tmax;
  33. }
  34. };

Maxmimum Product Subarray

Find the contiguous subarray within an array (containing at least one number) which has the largest product.

For example, given the array [2,3,-2,4],
the contiguous subarray [2,3] has the largest product = 6.

这题是求数组中子区间的最大乘积,对于乘法,我们需要注意,负数乘以负数,会变成正数,所以解这题的时候我们需要维护两个变量,当前的最大值,以及最小值,最小值可能为负数,但没准下一步乘以一个负数,当前的最大值就变成最小值,而最小值则变成最大值了。

我们的动态方程可能这样:

  1. maxDP[i + 1] = max(maxDP[i] * A[i + 1], A[i + 1], minDP[i] * A[i + 1])
  2. minDP[i + 1] = min(minDP[i] * A[i + 1], A[i + 1], maxDP[i] * A[i + 1]
  3. dp[i + 1] = max(dp[i], maxDP[i + 1])

这里,我们还需要注意元素为0的情况,如果A[i]为0,那么maxDP和minDP都为0,我们需要从A[i + 1]重新开始。

代码如下:

  1. class Solution {
  2. public:
  3. int maxProduct(int A[], int n) {
  4. if(n == 0){
  5. return 0;
  6. } else if(n == 1) {
  7. return A[0];
  8. }
  9. int p = A[0];
  10. int maxP = A[0];
  11. int minP = A[0];
  12. for(int i = 1; i < n; i++) {
  13. int t = maxP;
  14. maxP = max(max(maxP * A[i], A[i]), minP * A[i]);
  15. minP = min(min(t * A[i], A[i]), minP * A[i]);
  16. p = max(maxP, p);
  17. }
  18. return p;
  19. }
  20. };