【单调队列】 单调队列的“扫描线”理解

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【单调队列】 单调队列的“扫描线”理解

  “如果一个选手比你小还比你强,你就可以退役了。”——单调队列的原理

  • 比你强,而且比你影响时间更长。
  • 某种意义上,数学思维是生活中的思考的延伸。

  算法学习笔记(66): 单调队列。引用 Pecco 的算法笔记。

  在这里给出一种扫描线的理解。

【单调队列】 单调队列的“扫描线”理解

  我们以滑动窗口长度为 5,维护区间最大值为例子。

  图中横轴表示数组元素位置,纵轴表示数组元素大小,线表示每个数字的影响范围,对应记录的是长度为 k 的滑动窗口区间起点。因此,线段的右端点就是数组元素本身的位置。滑动窗口在图中仅仅需要标出起点的位置(一根竖线),就可以知道有哪些数字了。

  我们考虑后前后两段线。假如后一段大于等于前一段,那么后一段的影响未来范围比前一段更长,就可以在未来一直压着前一段。于是前一段没用了,弹出。(也就是说你预先考虑了一下未来的情况,然后弹出了)假如后一段小于前一段,虽然在过去和未来有限的时间里,前一段会压着后一段,但是后一段仍有不被压着的时候,因此后一段需要保留。

  当我们再直接观察队列中的弹出操作时候,就可以理解,弹出是因为之前的数影响范围被当前的更大的数字覆盖掉了。前面不弹出的是因为还有影响的可能。

  在这个问题中,序列本身是没有方向的,从左向右或者从右向左都行。我们进行滑动窗口的时候,需要规定一个方向。这个方向是无所谓的,但是一旦有了方向,这其中包含的已知到未知推导过程中前后顺序的维护信息,导致了单调队列的“覆盖”与弹出。剩下的“可能有贡献”的元素需要留着。删除不可能的,保留可能的,最后在某一时刻,从所有可能的中,选出确定的。

  为什么单调队列是单调的?我们考虑开始的时候用一个普通队列来维护,前后顺序是元素在序列中的顺序。每加入一个元素的时候,找一遍队列中的小于它的元素,删掉,再加入末尾(因为队列前后顺序和序列前后顺序是一样的)。这时候,查找就找这个队列里面的最大值。弹出照常。这两个操作现在还都是 \(O(k)\) 的。\(k\) 是滑动窗口长度。

  现在我们归纳地证一下。一个元素是有序的;对于新来的元素,改变一下操作顺序,先插入这个序列的正确排序的位置,再删除。有序序列删掉一些数还有序。于是 \(n\) 可以推 \(n+1\)。于是就都成立了。然后就有 \(O(1)\) 的取最大值和总和 \(O(n)\) 的插入删除操作了。\(n\) 是序列长度。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-650533.html

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