动态规划设计：最长递增子序列.md

# 动态规划设计：最长递增子序列

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</p>

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读完本文，你不仅学会了算法套路，还可以顺便解决如下题目：

| LeetCode | 力扣 | 难度 |
| :----: | :----: | :----: |
| [300. Longest Increasing Subsequence](https://leetcode.com/problems/longest-increasing-subsequence/) | [300. 最长递增子序列](https://leetcode.cn/problems/longest-increasing-subsequence/) | 🟠
| [354. Russian Doll Envelopes](https://leetcode.com/problems/russian-doll-envelopes/) | [354. 俄罗斯套娃信封问题](https://leetcode.cn/problems/russian-doll-envelopes/) | 🔴

**-----------**

也许有读者看了前文 [动态规划详解](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=动态规划详解进阶)，学会了动态规划的套路：找到了问题的「状态」，明确了 `dp` 数组/函数的含义，定义了 base case；但是不知道如何确定「选择」，也就是找不到状态转移的关系，依然写不出动态规划解法，怎么办？

不要担心，动态规划的难点本来就在于寻找正确的状态转移方程，本文就借助经典的「最长递增子序列问题」来讲一讲设计动态规划的通用技巧：**数学归纳思想**。

最长递增子序列（Longest Increasing Subsequence，简写 LIS）是非常经典的一个算法问题，比较容易想到的是动态规划解法，时间复杂度 O(N^2)，我们借这个问题来由浅入深讲解如何找状态转移方程，如何写出动态规划解法。比较难想到的是利用二分查找，时间复杂度是 O(NlogN)，我们通过一种简单的纸牌游戏来辅助理解这种巧妙的解法。

力扣第 300 题「最长递增子序列」就是这个问题：

输入一个无序的整数数组，请你找到其中最长的严格递增子序列的长度，函数签名如下：

```java
int lengthOfLIS(int[] nums);
```

比如说输入 `nums=[10,9,2,5,3,7,101,18]`，其中最长的递增子序列是 `[2,3,7,101]`，所以算法的输出应该是 4。

注意「子序列」和「子串」这两个名词的区别，子串一定是连续的，而子序列不一定是连续的。下面先来设计动态规划算法解决这个问题。

### 一、动态规划解法

动态规划的核心设计思想是数学归纳法。

相信大家对数学归纳法都不陌生，高中就学过，而且思路很简单。比如我们想证明一个数学结论，那么**我们先假设这个结论在 `k < n` 时成立，然后根据这个假设，想办法推导证明出 `k = n` 的时候此结论也成立**。如果能够证明出来，那么就说明这个结论对于 `k` 等于任何数都成立。

类似的，我们设计动态规划算法，不是需要一个 dp 数组吗？我们可以假设 `dp[0...i-1]` 都已经被算出来了，然后问自己：怎么通过这些结果算出 `dp[i]`？

直接拿最长递增子序列这个问题举例你就明白了。不过，首先要定义清楚 dp 数组的含义，即 `dp[i]` 的值到底代表着什么？

**我们的定义是这样的：`dp[i]` 表示以 `nums[i]` 这个数结尾的最长递增子序列的长度**。

> PS：为什么这样定义呢？这是解决子序列问题的一个套路，后文 [动态规划之子序列问题解题模板](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=子序列问题模板) 总结了几种常见套路。你读完本章所有的动态规划问题，就会发现 `dp` 数组的定义方法也就那几种。

根据这个定义，我们就可以推出 base case：`dp[i]` 初始值为 1，因为以 `nums[i]` 结尾的最长递增子序列起码要包含它自己。

举两个例子：

![](https://labuladong.github.io/algo/images/最长递增子序列/8.jpeg)

这个 GIF 展示了算法演进的过程：

![](https://labuladong.github.io/algo/images/最长递增子序列/gif1.gif)

根据这个定义，我们的最终结果（子序列的最大长度）应该是 dp 数组中的最大值。

```java
int res = 0;
for (int i = 0; i < dp.length; i++) {
    res = Math.max(res, dp[i]);
}
return res;
```

读者也许会问，刚才的算法演进过程中每个 `dp[i]` 的结果是我们肉眼看出来的，我们应该怎么设计算法逻辑来正确计算每个 `dp[i]` 呢？

这就是动态规划的重头戏，如何设计算法逻辑进行状态转移，才能正确运行呢？这里需要使用数学归纳的思想：

**假设我们已经知道了 `dp[0..4]` 的所有结果，我们如何通过这些已知结果推出 `dp[5]` 呢**？

![](https://labuladong.github.io/algo/images/最长递增子序列/6.jpeg)

根据刚才我们对 `dp` 数组的定义，现在想求 `dp[5]` 的值，也就是想求以 `nums[5]` 为结尾的最长递增子序列。

**`nums[5] = 3`，既然是递增子序列，我们只要找到前面那些结尾比 3 小的子序列，然后把 3 接到这些子序列末尾，就可以形成一个新的递增子序列，而且这个新的子序列长度加一**。

`nums[5]` 前面有哪些元素小于 `nums[5]`？这个好算，用 for 循环比较一波就能把这些元素找出来。

以这些元素为结尾的最长递增子序列的长度是多少？回顾一下我们对 `dp` 数组的定义，它记录的正是以每个元素为末尾的最长递增子序列的长度。

以我们举的例子来说，`nums[0]` 和 `nums[4]` 都是小于 `nums[5]` 的，然后对比 `dp[0]` 和 `dp[4]` 的值，我们让 `nums[5]` 和更长的递增子序列结合，得出 `dp[5] = 3`：

![](https://labuladong.github.io/algo/images/最长递增子序列/7.jpeg)

```java
for (int j = 0; j < i; j++) {
    if (nums[i] > nums[j]) {
        dp[i] = Math.max(dp[i], dp[j] + 1);
    }
}
```

当 `i = 5` 时，这段代码的逻辑就可以算出 `dp[5]`。其实到这里，这道算法题我们就基本做完了。

读者也许会问，我们刚才只是算了 `dp[5]` 呀，`dp[4]`, `dp[3]` 这些怎么算呢？类似数学归纳法，你已经可以算出 `dp[5]` 了，其他的就都可以算出来：

```java
for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
    for (int j = 0; j < i; j++) {
        // 寻找 nums[0..j-1] 中比 nums[i] 小的元素
        if (nums[i] > nums[j]) {
            // 把 nums[i] 接在后面，即可形成长度为 dp[j] + 1，
            // 且以 nums[i] 为结尾的递增子序列
            dp[i] = Math.max(dp[i], dp[j] + 1);
        }
    }
}
```

结合我们刚才说的 base case，下面我们看一下完整代码：

```java
int lengthOfLIS(int[] nums) {
    // 定义：dp[i] 表示以 nums[i] 这个数结尾的最长递增子序列的长度
    int[] dp = new int[nums.length];
    // base case：dp 数组全都初始化为 1
    Arrays.fill(dp, 1);
    for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
        for (int j = 0; j < i; j++) {
            if (nums[i] > nums[j]) 
                dp[i] = Math.max(dp[i], dp[j] + 1);
        }
    }
    
    int res = 0;
    for (int i = 0; i < dp.length; i++) {
        res = Math.max(res, dp[i]);
    }
    return res;
}
```

至此，这道题就解决了，时间复杂度 `O(N^2)`。总结一下如何找到动态规划的状态转移关系：

1、明确 `dp` 数组的定义。这一步对于任何动态规划问题都很重要，如果不得当或者不够清晰，会阻碍之后的步骤。

2、根据 `dp` 数组的定义，运用数学归纳法的思想，假设 `dp[0...i-1]` 都已知，想办法求出 `dp[i]`，一旦这一步完成，整个题目基本就解决了。

但如果无法完成这一步，很可能就是 `dp` 数组的定义不够恰当，需要重新定义 `dp` 数组的含义；或者可能是 `dp` 数组存储的信息还不够，不足以推出下一步的答案，需要把 `dp` 数组扩大成二维数组甚至三维数组。

目前的解法是标准的动态规划，但对最长递增子序列问题来说，这个解法不是最优的，可能无法通过所有测试用例了，下面讲讲更高效的解法。

### 二、二分查找解法

这个解法的时间复杂度为 `O(NlogN)`，但是说实话，正常人基本想不到这种解法（也许玩过某些纸牌游戏的人可以想出来）。所以大家了解一下就好，正常情况下能够给出动态规划解法就已经很不错了。

根据题目的意思，我都很难想象这个问题竟然能和二分查找扯上关系。其实最长递增子序列和一种叫做 patience game 的纸牌游戏有关，甚至有一种排序方法就叫做 patience sorting（耐心排序）。

为了简单起见，后文跳过所有数学证明，通过一个简化的例子来理解一下算法思路。

首先，给你一排扑克牌，我们像遍历数组那样从左到右一张一张处理这些扑克牌，最终要把这些牌分成若干堆。

![](https://labuladong.github.io/algo/images/最长递增子序列/poker1.jpeg)

**处理这些扑克牌要遵循以下规则**：

只能把点数小的牌压到点数比它大的牌上；如果当前牌点数较大没有可以放置的堆，则新建一个堆，把这张牌放进去；如果当前牌有多个堆可供选择，则选择最左边的那一堆放置。

比如说上述的扑克牌最终会被分成这样 5 堆（我们认为纸牌 A 的牌面是最大的，纸牌 2 的牌面是最小的）。

![](https://labuladong.github.io/algo/images/最长递增子序列/poker2.jpeg)

为什么遇到多个可选择堆的时候要放到最左边的堆上呢？因为这样可以保证牌堆顶的牌有序（2, 4, 7, 8, Q），证明略。

![](https://labuladong.github.io/algo/images/最长递增子序列/poker3.jpeg)

按照上述规则执行，可以算出最长递增子序列，牌的堆数就是最长递增子序列的长度，证明略。

![](https://labuladong.github.io/algo/images/最长递增子序列/poker4.jpeg)

我们只要把处理扑克牌的过程编程写出来即可。每次处理一张扑克牌不是要找一个合适的牌堆顶来放吗，牌堆顶的牌不是**有序**吗，这就能用到二分查找了：用二分查找来搜索当前牌应放置的位置。

> PS：前文 [二分查找算法详解](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=二分查找详解) 详细介绍了二分查找的细节及变体，这里就完美应用上了，如果没读过强烈建议阅读。

```java
int lengthOfLIS(int[] nums) {
    int[] top = new int[nums.length];
    // 牌堆数初始化为 0
    int piles = 0;
    for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
        // 要处理的扑克牌
        int poker = nums[i];

        /***** 搜索左侧边界的二分查找 *****/
        int left = 0, right = piles;
        while (left < right) {
            int mid = (left + right) / 2;
            if (top[mid] > poker) {
                right = mid;
            } else if (top[mid] < poker) {
                left = mid + 1;
            } else {
                right = mid;
            }
        }
        /*********************************/
        
        // 没找到合适的牌堆，新建一堆
        if (left == piles) piles++;
        // 把这张牌放到牌堆顶
        top[left] = poker;
    }
    // 牌堆数就是 LIS 长度
    return piles;
}
```

至此，二分查找的解法也讲解完毕。

这个解法确实很难想到。首先涉及数学证明，谁能想到按照这些规则执行，就能得到最长递增子序列呢？其次还有二分查找的运用，要是对二分查找的细节不清楚，给了思路也很难写对。

所以，这个方法作为思维拓展好了。但动态规划的设计方法应该完全理解：假设之前的答案已知，利用数学归纳的思想正确进行状态的推演转移，最终得到答案。

### 三、拓展到二维

我们看一个经常出现在生活中的有趣问题，力扣第 354 题「俄罗斯套娃信封问题」，先看下题目：

![](https://labuladong.github.io/algo/images/信封嵌套/title.png)

**这道题目其实是最长递增子序列的一个变种，因为每次合法的嵌套是大的套小的，相当于在二维平面中找一个最长递增的子序列，其长度就是最多能嵌套的信封个数**。

前面说的标准 LIS 算法只能在一维数组中寻找最长子序列，而我们的信封是由 `(w, h)` 这样的二维数对形式表示的，如何把 LIS 算法运用过来呢？

![](https://labuladong.github.io/algo/images/信封嵌套/0.jpg)

读者也许会想，通过 `w × h` 计算面积，然后对面积进行标准的 LIS 算法。但是稍加思考就会发现这样不行，比如 `1 × 10` 大于 `3 × 3`，但是显然这样的两个信封是无法互相嵌套的。

这道题的解法比较巧妙：

**先对宽度 `w` 进行升序排序，如果遇到 `w` 相同的情况，则按照高度 `h` 降序排序；之后把所有的 `h` 作为一个数组，在这个数组上计算 LIS 的长度就是答案**。

画个图理解一下，先对这些数对进行排序：

![](https://labuladong.github.io/algo/images/信封嵌套/1.jpg)

然后在 `h` 上寻找最长递增子序列，这个子序列就是最优的嵌套方案：

![](https://labuladong.github.io/algo/images/信封嵌套/2.jpg)

为什么呢？稍微思考一下就明白了：

首先，对宽度 `w` 从小到大排序，确保了 `w` 这个维度可以互相嵌套，所以我们只需要专注高度 `h` 这个维度能够互相嵌套即可。

其次，两个 `w` 相同的信封不能相互包含，所以对于宽度 `w` 相同的信封，对高度 `h` 进行降序排序，保证 LIS 中不存在多个 `w` 相同的信封（因为题目说了长宽相同也无法嵌套）。

下面看解法代码：

```java
// envelopes = [[w, h], [w, h]...]
public int maxEnvelopes(int[][] envelopes) {
    int n = envelopes.length;
    // 按宽度升序排列，如果宽度一样，则按高度降序排列
    Arrays.sort(envelopes, new Comparator<int[]>() 
    {
        public int compare(int[] a, int[] b) {
            return a[0] == b[0] ? 
                b[1] - a[1] : a[0] - b[0];
        }
    });
    // 对高度数组寻找 LIS
    int[] height = new int[n];
    for (int i = 0; i < n; i++)
        height[i] = envelopes[i][1];

    return lengthOfLIS(height);
}

int lengthOfLIS(int[] nums) {
    // 见前文
}
```

为了清晰，我将代码分为了两个函数， 你也可以合并，这样可以节省下 `height` 数组的空间。

由于增加了测试用例，这里必须使用二分搜索版的 `lengthOfLIS` 函数才能通过所有测试用例。这样的话算法的时间复杂度为 `O(NlogN)`，因为排序和计算 LIS 各需要 `O(NlogN)` 的时间，加到一起还是 `O(NlogN)`；空间复杂度为 `O(N)`，因为计算 LIS 的函数中需要一个 `top` 数组。

接下来可阅读：

* [动态规划之最大子数组](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=最大子数组)



<hr>
<details>
<summary><strong>引用本文的文章</strong></summary>

 - [二分查找高效判定子序列](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=二分查找判定子序列)
 - [动态规划之子序列问题解题模板](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=子序列问题模板)
 - [动态规划解题套路框架](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=动态规划详解进阶)
 - [动态规划设计：最大子数组](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=最大子数组)
 - [动态规划问题的两种穷举视角](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=动归两种视角)
 - [我的刷题心得](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=算法心得)
 - [最优子结构原理和 dp 数组遍历方向](https://labuladong.github.io/article/fname.html?fname=最优子结构)

</details><hr>




<hr>
<details>
<summary><strong>引用本文的题目</strong></summary>

<strong>安装 [我的 Chrome 刷题插件](https://mp.weixin.qq.com/s/X-fE9sR4BLi6T9pn7xP4pg) 点开下列题目可直接查看解题思路：</strong>

| LeetCode | 力扣 |
| :----: | :----: |
| [1425. Constrained Subsequence Sum](https://leetcode.com/problems/constrained-subsequence-sum/?show=1) | [1425. 带限制的子序列和](https://leetcode.cn/problems/constrained-subsequence-sum/?show=1) |
| [256. Paint House](https://leetcode.com/problems/paint-house/?show=1)🔒 | [256. 粉刷房子](https://leetcode.cn/problems/paint-house/?show=1)🔒 |
| - | [剑指 Offer II 091. 粉刷房子](https://leetcode.cn/problems/JEj789/?show=1) |

</details>



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======其他语言代码======

### javascript

[scuhzs](https://github.com/brucecat)提供[300.最长上升子序列](https://leetcode-cn.com/problems/longest-increasing-subsequence)

动态规划做法如下：

```javascript
let lengthOfLIS = function (nums) {
  	// 用1填满dp数组
    let dp = [];
    dp.fill(1, 0, nums.length);

    for (let i = 1; i < nums.length; i++)
        for (let j = 0; j < i; j++)
            nums[i] > nums[j] && (dp[i] = Math.max(dp[i], dp[j] + 1))
    return nums.length < 2 ? nums.length : Math.max(...dp)
};
```

二分法做法如下：

```javascript
let lengthOfLIS01 = function (nums) {
    let top = new Array(nums.length);
    for (let i = 0; i < nums.length; i++) {
        top[i] = 0;
    }

    // 牌堆数初始化为 0
    let piles = 0;

    for (let i = 0; i < nums.length; i++) {
        // 要处理的扑克牌
        let poker = nums[i];

        /***** 搜索左侧边界的二分查找 *****/
        let left = 0, right = piles;
        while (left < right) {
            // 记住这里要向下取整
            let mid = Math.floor((left + right) / 2);
            if (top[mid] > poker) {
                right = mid;
            } else if (top[mid] < poker) {
                left = mid + 1;
            } else {
                right = mid;
            }
        }
        /*********************************/

        // 没找到合适的牌堆，新建一堆
        left === piles && piles++;

        // 把这张牌放到牌堆顶
        top[left] = poker;
    }
    // 牌堆数就是 LIS 长度
    return piles;
}
```



### python

```python 动态规划
class Solution:
    def lengthOfLIS(self, nums: List[int]) -> int:
        n = len(nums)
        f = [1] * (n)

        for i in range(n):
            for j in range(i):
                if nums[j]  < nums[i]:
                    f[i] = max(f[i], f[j] + 1)
        
        res = 0
        for i in range(n):
            res = max(res, f[i])
        return res
```

```python 二分查找
class Solution:
    def lengthOfLIS(self, nums: List[int]) -> int:
        stack = []

        def find_index(num):
            l, r = 0, len(stack)
            while l < r:
                mid = l + r >> 1
                if stack[mid] >= num:
                    r = mid 
                else:
                    l = mid + 1

            return r


        for num in nums:
            if not stack or num > stack[-1]:
                stack.append(num)
            else:
                position = find_index(num)
                stack[position] = num

        return len(stack)
```



### c++

[Kian](https://github.com/KianKw/) 提供 C++ 代码

```c++
class Solution {
public:
    int lengthOfLIS(vector<int>& nums) {
        /* len 为牌的数量 */
        int len = nums.size();
        vector<int> top(len, 0);
        /* 牌堆数初始化为0 */
        int piles = 0;
        for (int i = 0; i < len; i++) {
            /* nums[i] 为要处理的扑克牌 */
            int poker = nums[i];

            /***** 搜索左侧边界的二分查找 *****/
            int left = 0, right = piles;
            while (left < right) {
                int mid = left + (right - left) / 2;
                if (top[mid] > poker) {
                    right = mid;
                } else if (top[mid] < poker) {
                    left = mid + 1;
                } else if (top[mid] == poker) {
                    right = mid;
                }
            }
            /*********************************/

            /* 没找到合适的牌堆，新建一堆 */
            if (left == piles)
                piles++;
            /* 把这张牌放到牌堆顶 */
            top[left] = poker;
        }
        /* 牌堆数就是 LIS 长度 */
        return piles;
    }
};
```