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            樹型動態規劃

            Posted on 2008-10-16 08:51 歲月流逝 閱讀(643) 評論(0)  編輯 收藏 引用
            關于傳說中的"樹型動態規劃"在討論題目的時候CC提及過。最近有幸找到一篇論文,相當激動,發現這個東東也比動態規劃本身更容易理解。

            先來看一個比較有挑戰性的題目:)

            戰略游戲

            Problem
            Bob喜歡玩電腦游戲,特別是戰略游戲。但是他經常無法找到快速玩過游戲的辦法。現在他有個問題。
            他要建立一個古城堡,城堡中的路形成一棵樹。他要在這棵樹的結點上放置最少數目的士兵,使得這些士兵能了望到所有的路。
            注意,某個士兵在一個結點上時,與該結點相連的所有邊將都可以被了望到。
            請你編一程序,給定一樹,幫Bob計算出他需要放置最少的士兵.


            Input
            第一行為一整數M,表示有M組測試數據
            每組測試數據表示一棵樹,描述如下:
            第一行 N,表示樹中結點的數目。
            第二行至第N+1行,每行描述每個結點信息,依次為:該結點標號i,k(后面有k條邊與結點I相連)。
            接下來k個數,分別是每條邊的另一個結點標號r1,r2,...,rk。
            對于一個n(0<n<=1500)個結點的樹,結點標號在0到n-1之間,在輸入數據中每條邊只出現一次。


            Output
            輸出文件僅包含一個數,為所求的最少的士兵數目。

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            這個題目是04年高二準備NOIP的時候看到過,當時打死沒有想出有效的解決方法。然后就拿著題目去問我們廖老師,廖老師一拿到題目題目還沒看完,立馬給出了解決方案:不會考這么難的題。于是這個題目也就遺留了下來,沒想到事隔這么多年以后又重新見識了這個題目,倍感親切,呵呵~。

            這個題目看上去想圖論,貪心是明顯錯誤的。用動態規劃的思想可以很有效地解決。就看你能不能看出來是動態規劃。就像楊瀟說的:動態規劃這類題,別人一說就明白,自己就很難想到。
            在給出這個題目的狀態轉移方程之前,我們先從更簡單的樹型動態規劃入手,看看其他一些題目。

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            二叉蘋果樹

            題目
            有一棵蘋果樹,如果樹枝有分叉,一定是分2叉(就是說沒有只有1個兒子的結點)
            這棵樹共有N個結點(葉子點或者樹枝分叉點),編號為1-N,樹根編號一定是1。
            我們用一根樹枝兩端連接的結點的編號來描述一根樹枝的位置。下面是一顆有4個樹枝的樹
               2   5
                \ /
                 3   4
                  \ /
                   1
            現在這顆樹枝條太多了,需要剪枝。但是一些樹枝上長有蘋果。
            給定需要保留的樹枝數量,求出最多能留住多少蘋果。


            輸入格式
            第1行2個數,N和Q(1<=Q<= N,1<N<=100)。
            N表示樹的結點數,Q表示要保留的樹枝數量。接下來N-1行描述樹枝的信息。
            每行3個整數,前兩個是它連接的結點的編號。第3個數是這根樹枝上蘋果的數量。
            每根樹枝上的蘋果不超過30000個。


            輸出格式
            一個數,最多能留住的蘋果的數量。

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            分析:因為樹是二叉的,所以狀態轉移方程很容易寫出,
            我們用a[i][j]描述樹,f[i][m]表示第i個節點下,共保留m個樹枝的最大蘋果數目。
            方程:f[i][m]=mas{ f[L][n]+f[m-n-2]+a[i][L]+a[i][ R]} 0<=n<=m-2 其中L,R為i的左右子樹

            選課

            [問題描述]
            在大學里每個學生,為了達到一定的學分,必須從很多課程里選擇一些課程來學習,在課程里有些課程必須在某些課程之前學習,如高等數學總是在其它課程之前學習。現在有N門功課,每門課有個學分,每門課有一門或沒有直接先修課(若課程a是課程b的先修課即只有學完了課程a,才能學習課程b)。一個學生要從這些課程里選擇M門課程學習,問他能獲得的最大學分是多少?


            輸入:
            第一行有兩個整數N,M用空格隔開。(1<=N<=200,1<=M<=150)
            接下來的N行,第I+1行包含兩個整數ki和si, ki表示第I門課的直接先修課,si表示第I門課的學分。若ki=0表示沒有直接先修課(1<=ki<=N, 1<=si<=20)。


            輸出:
            只有一行,選M門課程的最大得分。

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            分析:這個題目是一個普通的樹,關鍵步驟就是把這個普通的樹轉換為一顆二叉樹,并且處理的時候特殊處理一下右子樹。我自認為普通樹轉化為二叉樹以后很難處理各個節點的輩份關系,但是對于這個題目來說,如果節點1,2,3都是節點0的孩子,那么轉換后便成了這樣:
                0                         0            
              / |  \       ---->         /
            1  2  3                  1-2-3
            輩份雖然變了,但是還是有辦法處理的。
            方程:f[i][k]表示第i個節點下總共選擇k門課的最大得分。s[i]表示課程i的得分。則
            f[i][k]=max{ s[i]+f[i.L][j]+f[i.R][k-j-1] , f[i.R][k] } (0<=j<k)
            其中后邊那個f[i.R][k]就是處理轉換為二叉樹時的關系的。

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            >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

            看到這里,樹型動態規劃應該可以有個初步了解了,那么我們回到最初的那個題目“戰略游戲”。
            分析:首先選定一個節點作為根,然后從葉子向上DP,對于每個節點來說,分別記錄它放士兵和不放士兵,其子樹的最少士兵數。如果該節點放士兵,則不會制約它的子樹和父親,但是如果不放士兵,則會其子樹和父親都會影響。所以在設計動態轉移方程的時候要有開闊的思路。
            方程:f[v][0],f[v][1]分別表示節點v沒有士兵和有士兵時,該子樹中最少的士兵數。方程分兩個
            f[v][0]={ ∑f[v.Son][1] }   //若該節點不放士兵,則它的孩子都放士兵
            f[v][1]={ ∑min{ f[v.Son][0], f[v.Son][1] }+1 }    //若該節點放士兵,則它的孩子可以放士兵也可以不放

            這樣問題便完美解決了,時間復雜度O(n2)

            下面再來一個題目作為思路擴展,和剛剛的題目類似:


            沒有上司的晚會

            背景
            有個公司要舉行一場晚會。
            為了能玩得開心,公司領導決定:如果邀請了某個人,那么一定不會邀請他的上司
            (上司的上司,上司的上司的上司……都可以邀請)。


            題目
            每個參加晚會的人都能為晚會增添一些氣氛,求一個邀請方案,使氣氛值的和最大。

            輸入格式
            第1行一個整數N(1<=N<=6000)表示公司的人數。
            接下來N行每行一個整數。第i行的數表示第i個人的氣氛值x(-128<=x<=127)。
            接下來每行兩個整數L,K。表示第K個人是第L個人的上司。
            輸入以0 0結束。


            輸出格式
            一個數,最大的氣氛值和。
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