132. 分割回文串 II

简单分析

输入的参数是字符串s,返回值是最小的切割次数。那这个问题的典型解法应该是动态规划,因为我们需要找最优解,而每一步的选择可能会影响后面的结果,但可以通过子问题的最优解来构建整体最优解。

那么动态规划的状态如何定义呢?通常这种情况下,dp[i]表示前i个字符的最小分割次数。例如,对于字符串s的长度为n的情况,我们需要计算dp[n]。初始条件的话,如果整个字符串本身就是回文的,那么不需要分割,也就是dp[0]=0(这里可能需要调整索引)。

接下来需要考虑状态转移方程。对于每一个位置i,我们要检查所有可能的j(j < i),看看s[j..i-1]是否是回文。如果是的话,那么dp[i]可以取dp[j]+1中的最小值。这里的逻辑是因为如果在j处已经有一个最优解,再加上当前这一段的回文分割,就能得到i处的候选答案。

不过这样的话,时间复杂度会不会很高呢?比如,对于每个i都要遍历前面所有的j,并且每次判断回文都需要O(n)的时间,这样总的时间复杂度会是O(n^3),这在n较大的情况下可能会有问题。比如当n=1000时,这显然不行。但是原题的测试数据规模是多少呢?题目中没有给出具体限制,可能需要考虑优化。

这时候就需要想办法减少判断回文的次数。常用的方法是预处理出一个二维数组is_palindrome,其中is_palindrome[i][j]表示s从i到j是否为回文。这样预处理之后,可以在O(1)的时间内查询任意区间的回文情况。而预处理本身可以用中心扩展法或者动态规划的方法完成,时间复杂度是O(n²)。

步骤大致清晰:

  1. 预处理出所有可能的回文区间。
  2. 使用动态规划计算每个位置的最小分割次数。

具体的实现步骤是怎样的呢?

首先是预处理回文表。

以动态规划的方式来做的话,可以这样定义:对于单个字符来说,肯定是回文;两个相同字符也是回文。然后对于更长的子串,s[i...j]是回文的条件是s[i] == s[j]且中间的部分s[i+1...j-1]也是回文。因此,我们可以按子串长度从小到大填充这个表格。

另一种方法是用中心扩展,即对每个可能的中心和奇偶长度进行处理,向两边扩展直到不是回文为止。这种方法可能在某些情况下更快,但在最坏情况下还是O(n²)。

不管哪种方式,预处理得到is_palindrome数组是关键的一步。

创建二维数组palindrome,大小n x n。初始化所有长度为1和2的情况。然后按照长度递增的顺序填充其余部分。

预处理回文表:使用动态规划预处理出所有可能的回文子串,存储在一个二维数组 is_palindrome 中,其中 is_palindrome[i][j] 表示子串 s[i...j] 是否为回文

然后进行动态规划。

初始化dp数组,其中dp[0] = -1吗?或者说,假设字符串的前0个字符的分割次数是-1?比如,当i=0时,对应空字符串,此时分割次数为-1,这样在后续的计算中,比如当某个子串s[0...k]是回文时,可以直接用dp[k+1] = dp[0] + 1 = 0次分割。这可能更方便一些。

例如,假设字符串长度为n,则dp数组的大小是n+1,其中dp[i]代表前i个字符的最小分割次数。初始时,dp[0] = -1,其他设为无穷大。然后对于每个i,从1到n,我们查看所有j从0到i-1的位置,如果s[j...i-1]是回文的话,那么dp[i] = min(dp[i], dp[j] + 1)。最终结果是dp[n]的值

举个例子,假设字符串是"a"。那么预处理后is_palindrome[0][0]=true。初始化dp数组为inf,除了dp[0]=-1。当i=1时,j可以是0,此时s[0..0]是回文,所以dp[1] = dp[0]+1 = 0。正确,分割次数是0次,无需分割。

另一个例子,"ab"。这时,预处理后的is_palindrome[0][0]=true,is_palindrome[1][1]=true,is_palindrome[0][1]=false。那么对于i=1,只能是j=0的情况,分割次数0。i=2的时候,尝试j=0和j=1。j=0时,子串是ab,不是回文。j=1时,子串是b,是回文。所以dp[2] = dp[1]+1=1。即分割一次,分成a和b。

动态规划求解最小分割次数:定义 dp[i] 表示前 i 个字符的最小分割次数。初始化 dp[0] = -1(空字符串的分割次数视为-1),其余位置初始化为无穷大。遍历每个位置 i,检查所有可能的起始位置 j,若 s[j...i-1] 是回文,则更新 dp[i] = min(dp[i], dp[j] + 1)

class Solution:
    def minCut(self, s: str) -> int:
        n = len(s)
        # 创建一个大小为 n×n 的布尔矩阵,初始值全为 True
        # g[i][j] 表示子串 s[i...j] 是否为回文,初始设为 True 是因为空字符串和单个字符均被视为回文。
        g = [[True] * n for _ in range(n)]

        #  # 从末尾向前遍历起始索引 i
        for i in range(n - 1, -1, -1):
            # 遍历结束索引 j(j > i)
            for j in range(i + 1, n):
                # 确保在处理子串 s[i...j] 时,其内部子串 s[i+1...j-1] 已经被计算过。
                # 状态转移方程g[i][j] 为真当且仅当:
                    # s[i] 和 s[j] 字符相同,
                    # 且去掉首尾后的子串 s[i+1...j-1] 也是回文(由 g[i+1][j-1] 决定)
                g[i][j] = (s[i] == s[j]) and g[i + 1][j - 1]
        # 这段代码利用动态规划预处理结果g来计算将字符串s的前i+1个字符分割成回文子串所需的最小分割次数,存储在数组f中
        f = [float("inf")] * n
        for i in range(n):
            if g[0][i]:
                f[i] = 0
            else:
                #需要分割,遍历所有可能的切分点j
                for j in range(i):
                    if g[j + 1][i]:
                        f[i] = min(f[i], f[j] + 1)

        return f[n - 1]

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