数字组成的奥妙——数位dp

Mathison

2018-10-10 07:31:43

算法·理论

【序】

数位dp就是套模板 ——lwz dalao

（数位dp确实可以套模板，但笔者建议还是要理解这个过程，这样才能灵活变化）

【引言】

数位dp一直以来是dp家族里比较冷门的一种，但一旦考察不会数位dp靠暴力很难骗分

今天我们就来分析一下数位dp的全过程

【引入】

首先我们要清楚数位dp解决的是什么问题：

求出在给定区间[A,B]内，符合条件f(i)的数i的个数。条件f(i)一般与数的大小无关，而与数的组成有关

由于数是按位dp，数的大小对复杂度的影响很小

【设计搜索】

这里我们使用记忆化搜索实现数位dp。本质上记搜其实就是dp，下文会重点介绍dp值的使用和记录

一、记搜过程

从起点向下搜索，到最底层得到方案数，一层一层向上返回答案并累加，最后从搜索起点得到最终答案。

对于[l,r]区间问题，我们一般把他转化为两次数位dp,即找[0,r]和[0,l-1]两段，再将结果相减就得到了我们需要的[l,r]

二、状态设计

如果理解了上述过程，我们需要考虑的就是怎样判断现在在哪一层，怎样判断当前的状态——这就需要我们传进一些参量。

\text{dfs}函数需要哪些参量？

首先是数位dp基本的量数字位数pos，记录答案的st，最高位限制limit（这个后面会讲）
我们还需要一个判断判断前导0的标记lead（这个后面也会讲）
由于数位dp解决的大多是数字组成问题，所以经常要比较当前位和前一位或前几位的关系（根据题意而定），所以一般在dfs()中也要记录前一位或前几位数pre方便比较。
除此之外还可以传进更多参量以区分状态，视题意而定。

数位dp的状态能记录的最好都记录上 ——lwz dalao

【细节分析】

一、前导0标记\text{lead}

由于我们要搜的数可能很长，所以我们的直接最高位搜起

举个例子：假如我们要从[0,1000]找任意相邻两数相等的数

显然111,222,888等等是符合题意的数

但是我们发现右端点1000是四位数

因此我们搜索的起点是0000，而三位数的记录都是0111,0222,0888等等

而这种情况下如果我们直接找相邻位相等则0000符合题意而0111,0222,0888都不符合题意了

所以我们要加一个前导0标记

如果当前位lead=1而且当前位也是0，那么当前位也是前导0，pos+1继续搜；
如果当前位lead=1但当前位不是0，则本位作为当前数的最高位，pos+1继续搜；（注意这次根据题意st或其他参数可能发生变化）

当然前导0有时候是不需要判断的，上述的例子是一个有关数字结构上的性质，0会影响数字的结构，所以必须判断前导0；而如果我们研究的是数字的组成（例如这个数字有多少个1之类的问题），0并不影响我们的判断，这样就不需要前导0标记了。总之，这个因题而异，并不是必须要标记（当然记了肯定是不会出错的）

二、最高位标记\text{limit}

我们知道在搜索的数位搜索范围可能发生变化；

举个例子：我们在搜索[0,555]的数时，显然最高位搜索范围是0~5，而后面的位数的取值范围会根据上一位发生变化：

当最高位是1~4时，第二位取值为[0,9];
当最高位是5时，第二位取值为[0,5]（再往上取就超出右端点范围了）

为了分清这两种情况，我们引入了\text{limit}标记：

若当前位limit=1而且已经取到了能取到的最高位时，下一位limit=1；
若当前位limit=1但是没有取到能取到的最高位时，下一位limit=0；
若当前位limit=0时，下一位limit=0。

我们设这一位的标记为limit，这一位能取到的最大值为res，则下一位的标记就是i==res&&limit（i枚举这一位填的数）

三、\text{dp}值的记录和使用

最后我们考虑dp数组下标记录的值

本文介绍数位dp是在记忆化搜索的框架下进行的，每当找到一种情况我们就可以这种情况记录下来，等到搜到后面遇到相同的情况时直接使用当前记录的值。

dp数组的下标表示的是一种状态，只要当前的状态和之前搜过的某个状态完全一样，我们就可以直接返回原来已经记录下来的dp值。

再举个例子

假如我们找[0,123456]中符合某些条件的数

假如当我们搜到1000??时，dfs从下返上来的数值就是当前位是第5位，前一位是0时的方案种数，搜完这位会向上反，这是我们可以记录一下：当前位第5位，前一位是0时，有这么多种方案种数

当我们继续搜到1010??时，我们发现当前状态又是搜到了第5位，并且上一位也是0，这与我们之前记录的情况相同，这样我们就可以不继续向下搜，直接把上次的dp值返回就行了。

注意，我们返回的dp值必须和当前处于完全一样的状态，这就是为什么dp数组下标要记录pos,pre等参量了。

最重要的来了————————————————————

接着上面的例子，范围[0,123456]

如果我们搜到了1234??，我们能不能直接返回之前记录的：当前第5位，前一位是4时的dp值？

答案是否定的

我们发现，这个状态的dp值被记录时，当前位也就是第5位的取值是[0,9]，而这次当前位的取值是[0,5]，方案数一定比之前记录的dp值要小。

当前位的取值范围为什么会和原来不一样呢？

如果你联想到了之前所讲的知识，你会发现：现在的limit=1，最高位有取值的限制。

因此我们可以得到一个结论：当limit=1时，不能记录和取用dp值！

类似上述的分析过程，我们也可以得出：当lead=1时，也不能记录和取用dp值！

p.s.~~当然没有这么绝对的说……因题而异的说……~~

以上就是计划搜索的完整步骤。

附图：

【模板】


ll dfs(int pos,int pre,int st,……,int lead,int limit)//记搜
{
    if(pos>len) return st;//剪枝
    if((dp[pos][pre][st]……[……]!=-1&&(!limit)&&(!lead))) return dp[pos][pre][st]……[……];//记录当前值
    ll ret=0;//暂时记录当前方案数
    int res=limit?a[len-pos+1]:9;//res当前位能取到的最大值
    for(int i=0;i<=res;i++)
    {
        //有前导0并且当前位也是前导0
        if((!i)&&lead) ret+=dfs(……,……,……,i==res&&limit);
        //有前导0但当前位不是前导0，当前位就是最高位
        else if(i&&lead) ret+=dfs(……,……,……,i==res&&limit); 
        else if(根据题意而定的判断) ret+=dfs(……,……,……,i==res&&limit);
    }
    if(!limit&&!lead) dp[pos][pre][st]……[……]=ret;//当前状态方案数记录
    return ret;
}
ll part(ll x)//把数按位拆分
{
    len=0;
    while(x) a[++len]=x%10,x/=10;
    memset(dp,-1,sizeof dp);//初始化-1（因为有可能某些情况下的方案数是0）
    return dfs(……,……,……,……);//进入记搜
}
int main()
{
    scanf("%d",&T);
    while(T--)
    {
        scanf("%lld%lld",&l,&r);
        if(l) printf("%lld",part(r)-part(l-1));//[l,r](l!=0)
        else printf("%lld",part(r)-part(l));//从0开始要特判
    }
    return 0;
}

【例题详解】

注：推荐此题的原因是这道题涉及到的需要记录的量较多，比较典型，如果觉得比较难理解也没关系，先看下面的例题推荐

【题意简述】

定义一个正整数的价值是把这个数的十进制写出来之后，最长的等差子串的长度。

求[l,r]范围内数字价值的总和。

【分析】

这道题很显然是一道数位dp，那么我们应该怎么样设计状态和转移呢？

数位位置，前一位数，等差数列共差是一定要记录的

我们还要把当前最大价值和整个数最大值也作为状态

dp过程见代码注释（数位dp主要还是套板子呀）


#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
typedef long long ll;
int T,n,m,len,a[20];
ll l,r,dp[20][15][25][25][20];
ll dfs(int pos,int pre,ll st,ll sum,int d,int lead,int limit)
//pos搜到的位置
//pre前一位数
//st当前公差最大差值
//sum整个数字的最大价值
//d共差
//lead判断是否有前导0
//limit判断是否有最高位限制
{
    if(pos>len) return sum;//dp结束 
    //记录状态（计划搜索）
    //注意d有负数，最小可以到-9，所以记录时数组下标是d+10 
    if((dp[pos][pre][st][sum][d+10]!=-1&&(!limit)&&(!lead))) return dp[pos][pre][st][sum][d+10]; 
    ll ret=0;
    int res=limit?a[len-pos+1]:9;//最高位最大值 
    for(int i=0;i<=res;i++)
    {
        //有前导0且这位也是前导0，一切不变只有位数变化 
        if((!i)&&lead) ret+=dfs(pos+1,0,0,0,-38,1,limit&&(i==res));
        //有前导0但这位不是前导0（这位是数字的最高位）开始有前一位，一个数形成等差数列 
        else if(i&&lead) ret+=dfs(pos+1,i,1,1,-38,0,limit&&(i==res));
        //之前刚搜到1位还没有共差，两位数形成等差数列，记录共差 
        else if(d<-9) ret+=dfs(pos+1,i,2ll,2ll,i-pre,0,limit&&(i==res));
        //搜到2位以后，共差若与前两位相同当前等差数列长度增加，若公差变化则更新整个数字的最大价值，等差数列长度又变为2 
        else if(d>=-9) ret+=dfs(pos+1,i,(i-pre==d)?st+1:2,max(sum,(i-pre==d)?st+1:2),(i-pre==d)?d:i-pre,0,limit&&(i==res));
    }
    //没有前导0和最高限制时可以直接记录当前dp值以便下次搜到同样的情况可以直接使用。 
    return (!limit&&!lead)?dp[pos][pre][st][sum][d+10]=ret:ret;
}
ll part(ll x)
{
    len=0;
    while(x) a[++len]=x%10,x/=10;
    memset(dp,-1,sizeof dp);
    return dfs(1,0,0,0,-38,1,1);//-38是随便赋的其实赋成-10就行了…… 
}
int main()
{
    scanf("%d",&T);
    while(T--)
    {
        scanf("%lld%lld",&l,&r);
        //l是0的时候要特别注意！
        printf("%lld\n",l?(part(r)-part(l-1)):(part(r)-part(l)+1));
    }
    return 0;
}

【题目推荐】

[HDU2089]不要62

入门题，如果上面的例题没看懂可以先尝试一下这道题，如果上面的例题理解了这题可以秒切
P2657 [SCOI2009]windy数
P2602 [ZJOI2010]数字计数

这两题是数位dp题目里的基础题，多体会上述的讲解就能够顺利地想出解法~~（实在不行还可以背板子的吧）~~
P3413 萌数

这道题是笔者接触数位dp的第一题，当时学长讲完之后还有点懵，现在发现不是特别难的题目，还是比较套路的
P4127 [AHOI2009]同类分布
P4317 花神的数论题

相比前面，这道题就显得灵活一些，可能在统计答案的方法上有一些变化，但相信当你做完上面的题之后，这两道题也不在话下！

当然也有些题看起来不是数位dp，但是可能依靠一些数论知识把问题转化成一道数位dp题（比如一些数字本身的性质转化成数字组成的特点），这里就不再过多赘述。

【后记】

数位dp虽然大多在套模板，但是里面的判断和细节还是很多的，多写几道数位dp之后才能发现其中的规律，完全将其掌握。

【特别鸣谢】

本文是笔者听过了两位dalao的讲解后撰写而成

初识数位dp：学长Vergil 【LVYOUYW】

知识巩固：dalao lwz 【lwz2002】