单调队列

来源:互联网 发布:深入理解php原理 编辑:程序博客网 时间:2024/05/22 08:59

单调队列(Monotone queue)是一种特殊的优先队列,提供了两个操作:插入,查询最小值(最大值)。它的特殊之处在于它插入的不是值,而是一个指针(key)(wiki原文:imposes the restriction that a key (item) may only be inserted if its priority is greater than that of the last key extracted from the queue)。所谓单调,指当一组数据的指针1..n(优先级为A1..An)插入单调队列Q时,队列中的指针是单调递增的,队列中指针的优先级也是单调的。因为这里要维护优先级的最小值,那么队列是单调减的,也说队列是单调减的。

查询最小值

由于优先级是单调减的,所以最小值一定是队尾元素。直接取队尾即可。

插入操作

当一个数据指针i(优先级为Ai)插入单调队列Q时,方法如下:

  1. 如果队列已空或队头的优先级比Ai大,删除队头元素。
  2. 否则将i插入队头

比如说,一个优先队列已经有优先级分别为 {5,3,-2} 的三个元素,插入一个新元素,优先级为2,操作如下:

  1. 因为2 < 5,删除队头,{3,-2}
  2. 因为2 < 3,删除队头,{-2}
  3. 因为2 > -2,插入队头,{2,-2}

证明性质可以得到维护

证明指针的单调减 :由于插入指针i一定比已经在队列中所有元素大,所以指针是单调减的。 
证明优先级的单调减:由于每次将优先级比Ai大的删除,只要原队列优先级是单调的,新队列一定是单调的。用循环不变式易证正确性。 
为什么删除队头:直观的,指针比i小(靠左)而优先级比Ai大的数据没有希望成为任何一个需要的子序列中的最小值。这一点是我们使用优先队列的根本原因。

维护区间大小

当一串数据A1..Ak插入时,得到的最小值是A1..Ak的最小值。反观dp方程:

f(i) = sum[i]-min{sum[k]|i-M≤k≤i} 
  • 1
  • 1

在这里,A = sum。对于f(i),我们需要的其实是Ai-M .. Ai的最小值,而不是所有已插入数据的最小值(A1..Ai-1)。所以必须维护区间大小,使队列中的元素严格处于Ai-M..Ai-1这一区间,或者说删去哪些A中过于靠前而违反题目条件的值。由于队列中指针是单调的,也就是靠左的指针大于靠右的,或者说在优先队列中靠左的值,在A中一定靠后;优先队列中靠右的值,在A中一定靠前。我们想要删除过于靠前的,只需要在优先队列中从右一直删除,直到最右边(队尾)的值符合条件。具体地:当队头指针p满足i-m≤p时。 

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