前言
大家好,我是bigsai,好久不見(jiàn),甚是想念(天天想念)!
很久前就有小伙伴被動(dòng)態(tài)規(guī)劃所折磨,確實(shí),很多題動(dòng)態(tài)規(guī)劃確實(shí)太難看出了了,甚至有的題看了題解理解起來(lái)都費(fèi)勁半天。
動(dòng)態(tài)規(guī)劃的范圍雖然確實(shí)是很廣很難,但是從整個(gè)動(dòng)態(tài)規(guī)劃出現(xiàn)的頻率來(lái)看,這幾種基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃理解容易,學(xué)習(xí)起來(lái)壓力不大,并且出現(xiàn)頻率非常高。
這幾個(gè)常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃有:連續(xù)子數(shù)組最大和,子數(shù)組的最大乘積,最長(zhǎng)遞增子序列(LIS),最長(zhǎng)公共子序列(LCS),最長(zhǎng)公共子串,最長(zhǎng)公共子串,不同子序列。
什么是動(dòng)態(tài)規(guī)劃
首先很多人問(wèn),何為動(dòng)態(tài)規(guī)劃?動(dòng)態(tài)規(guī)劃(Dynamic Programming,DP)是運(yùn)籌學(xué)的一個(gè)分支,是求解決策過(guò)程最優(yōu)化的過(guò)程。通俗一點(diǎn)動(dòng)態(tài)規(guī)劃就是從下往上(從前向后)階梯型求解數(shù)值。
那么動(dòng)態(tài)規(guī)劃和遞歸有什么區(qū)別和聯(lián)系?
總的來(lái)說(shuō)動(dòng)態(tài)規(guī)劃從前向后,遞歸從后向前,兩者策略不同,并且一般動(dòng)態(tài)規(guī)劃效率高于遞歸。
不過(guò)都要考慮初始狀態(tài),上下層數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。很多時(shí)候用動(dòng)態(tài)規(guī)劃能解決的問(wèn)題,用遞歸也能解決不過(guò)很多時(shí)候效率不高可能會(huì)用到記憶化搜索。
不太明白?
就拿求解斐波那契額數(shù)列來(lái)說(shuō),如果直接用遞歸不優(yōu)化,那么復(fù)雜度太多會(huì)進(jìn)行很多重復(fù)的計(jì)算。
但是利用記憶化你可以理解為一層緩存,將求過(guò)的值存下來(lái)下次再遇到就直接使用就可以了。
實(shí)現(xiàn)記憶化搜索求斐波那契代碼為:
staticlongF(intn,longrecord[])
{
if(n==1||n==2){return1;}
if(record[n]>0)
returnrecord[n];
else
record[n]=F(n-1,record)+F(n-2,record);
returnrecord[n];
}
publicstaticvoidmain(String[]args){
intn=6;
long[]record=newlong[n+1];
System.out.println(F(n,record));
}
而動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方式你可以從前往后邏輯處理,從第三個(gè)開(kāi)始每個(gè)dp都是前兩個(gè)dp之和。
publicintfib(intn){
intdp[]=newint[n+1];
dp[0]=0;
dp[1]=1;
for(inti=2;i1;i++){
dp[i]=dp[i-1]+dp[i-2];
}
returndp[n];
}
當(dāng)然動(dòng)態(tài)規(guī)劃也能有很多空間優(yōu)化,有些只用一次的值,你可以用一些變量去替代。有些二維數(shù)組很大也可以用一維數(shù)組交替替代。當(dāng)然動(dòng)態(tài)規(guī)劃專(zhuān)題很大,有很多比如樹(shù)形dp、狀壓dp、背包問(wèn)題等等經(jīng)常出現(xiàn)在競(jìng)賽中,能力有限這里就將一些出現(xiàn)筆試高頻的動(dòng)態(tài)規(guī)劃!
連續(xù)子數(shù)組最大和
給定一個(gè)整數(shù)數(shù)組 nums ,找到一個(gè)具有最大和的連續(xù)子數(shù)組(子數(shù)組最少包含一個(gè)元素),返回其最大和。
示例:
輸入: [-2,1,-3,4,-1,2,1,-5,4]
輸出: 6
解釋: 連續(xù)子數(shù)組 [4,-1,2,1] 的和最大,為 6。
dp的方法就是O(n)的方法。如果dp[i]表示以第i個(gè)結(jié)尾的最大序列和,而這個(gè)dp的狀態(tài)方程為:
dp[0]=a[0]
dp[i]=max(dp[i-1]+a[i],a[i])
也不難解釋?zhuān)绻郧耙粋€(gè)為截至的最大子序列和大于0,那么就連接本個(gè)元素,否則本個(gè)元素就自立門(mén)戶。
實(shí)現(xiàn)代碼為:
publicintmaxSubArray(int[]nums){
intdp[]=newint[nums.length];
intmax=nums[0];
dp[0]=nums[0];
for(inti=1;i1]+nums[i],nums[i]);
if(dp[i]>max)
max=dp[i];
}
returnmax;
}
ps:有小伙伴問(wèn)那求可以不連續(xù)的數(shù)組最大和呢?你好好想想枚舉一下正的收入囊中,那個(gè)問(wèn)題沒(méi)意義的。
連續(xù)子數(shù)組最大乘積
給你一個(gè)整數(shù)數(shù)組 nums ,請(qǐng)你找出數(shù)組中乘積最大的連續(xù)子數(shù)組(該子數(shù)組中至少包含一個(gè)數(shù)字),并返回該子數(shù)組所對(duì)應(yīng)的乘積。
示例 :
輸入: [2,3,-2,4]
輸出: 6
解釋: 子數(shù)組 [2,3] 有最大乘積 6。
連續(xù)子數(shù)組的最大乘積,這也是一道經(jīng)典的動(dòng)態(tài)規(guī)劃問(wèn)題,但是和普通動(dòng)態(tài)規(guī)劃又有點(diǎn)小不同。
如果數(shù)據(jù)中都是非負(fù)數(shù),對(duì)于連續(xù)數(shù)組的最大乘積,那樣處理起來(lái)和前面連續(xù)子數(shù)組最大和處理起來(lái)有些相似,要么和前面的疊乘,要么自立門(mén)戶。
dp[0]=nums[0]
dp[i]=max(dp[i-1]*a[i],a[i])
但是這里面的數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)負(fù)數(shù),乘以一個(gè)負(fù)數(shù)它可能從最大變成最小,并且還有負(fù)負(fù)得正就又可能變成最大了。
這時(shí)候該怎么考慮呢?
容易,我們開(kāi)兩個(gè)dp,一個(gè)dpmax[]
記錄乘積的最大值,一個(gè)dpmin[]
記錄乘積的最小值。然后每次都更新dpmax和dpmin不管當(dāng)前值是正數(shù)還是負(fù)數(shù).這樣通過(guò)這兩個(gè)數(shù)組就可以記錄乘積的絕對(duì)值最大。
動(dòng)態(tài)方程也很容易
dpmax[i]=max(dpmax[i-1]*nums[i],dpmin[i-1]*nums[i],nums[i])
dpmin[i]=min(dpmax[i-1]*nums[i],dpmin[i-1]*nums[i],nums[i])
看一個(gè)過(guò)程就能理解明白,dpmin就是起到中間過(guò)度的作用,記錄一些可能的負(fù)極值以防備用。結(jié)果還是dpmax中的值。
最長(zhǎng)遞增子序列
最長(zhǎng)遞增子序列,也稱(chēng)為L(zhǎng)IS,是出現(xiàn)非常高頻的動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法之一。這里對(duì)應(yīng)力扣300
給你一個(gè)整數(shù)數(shù)組 nums ,找到其中最長(zhǎng)嚴(yán)格遞增子序列的長(zhǎng)度。
子序列是由數(shù)組派生而來(lái)的序列,刪除(或不刪除)數(shù)組中的元素而不改變其余元素的順序。例如,[3,6,2,7] 是數(shù)組 [0,3,1,6,2,2,7] 的子序列。
輸入:nums = [0,1,0,3,2,3]
輸出:4
解釋?zhuān)鹤铋L(zhǎng)遞增子序列是 [0,1,2,3],因此長(zhǎng)度為 4 。
對(duì)于最長(zhǎng)遞增子序列,如果不考慮動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法,使用暴力枚舉其實(shí)還是比較麻煩的,因?yàn)槟悴恢烙龅奖惹懊嬖卮蟮氖欠褚f增。
比如 1 10 3 11 4 5,這個(gè)序列不能選取1 10 11而1 3 4 5才是最大的,所以暴力枚舉所有情況的時(shí)間復(fù)雜度還是非常高的。
如果我們采取動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法,創(chuàng)建的dp[]
數(shù)組,dp[i]表示以nums[i]
結(jié)尾的最長(zhǎng)遞增子序列,而dp[i]的求解方式就是枚舉i號(hào)前面的元素和對(duì)應(yīng)結(jié)尾的最長(zhǎng)子序列,找到一個(gè)元素值小于nums[i]
并且遞增序列最長(zhǎng),這樣的時(shí)間復(fù)雜度為O(n2)。
狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為:
dp[i]=max(dp[j])+1,其中0≤j
實(shí)現(xiàn)代碼為:
classSolution{
publicintlengthOfLIS(int[]nums){
intdp[]=newint[nums.length];
intmaxLen=1;
dp[0]=1;
for(inti=1;iintmax=0;//統(tǒng)計(jì)前面末尾數(shù)字比自己小最長(zhǎng)遞增子串
for(intj=0;j//枚舉
//結(jié)尾數(shù)字小于當(dāng)前數(shù)字并且長(zhǎng)度大于記錄的最長(zhǎng)
if(nums[j]max){
max=dp[j];
}
}
dp[i]=max+1;//前面最長(zhǎng)加上自己
if(maxLenreturnmaxLen;
}
}
不過(guò)這道題還有一個(gè)優(yōu)化,可以優(yōu)化成O(nlogn)的時(shí)間復(fù)雜度。
我們用dp記錄以nums[i]
結(jié)尾的最長(zhǎng)子序列長(zhǎng)度,縱觀全局,我們希望在長(zhǎng)度一致的情況下末尾的值能夠盡量的??!
例如 2,3,9,5 …… 在前面最長(zhǎng)的長(zhǎng)度為3 我們?cè)敢鈷仐?,3,9 而全部使用2,3,5 。也就是對(duì)于一個(gè)值,我們希望這個(gè)值能更新以它為結(jié)尾的最長(zhǎng)的序列的末尾值。
如果這個(gè)值更新不了最長(zhǎng)的序列,那就嘗試更新第二長(zhǎng)的末尾值以防待用。例如 2,3,9,5,4,5 這個(gè)序列2,3,5更新2,3,9;然后2,3,4更新2,3,5 為最長(zhǎng)的2,3,4,5做鋪墊。
而這個(gè)思路的核心就是維護(hù)一個(gè)lenth[]
數(shù)組,length[i]表示長(zhǎng)度為i的子序列末尾最小值,因?yàn)槲覀兠看?strong style="color:rgb(233,105,0);font-size:inherit;line-height:inherit;">順序增加一個(gè)長(zhǎng)度說(shuō)明這個(gè)值比前面的都大(做了充分比較),所以這個(gè)數(shù)組也是個(gè)遞增的,遞增,那么在鎖定位置更新最大長(zhǎng)度序列尾值的時(shí)候可以使用二分法優(yōu)化。
實(shí)現(xiàn)代碼為:
classSolution{
publicintlengthOfLIS(int[]nums){
intlength[]=newint[nums.length];
intlen=1;
length[0]=nums[0];
for(inti=1;iintleft=0,right=len;
while(leftintmid=left+(right-left)/2;
if(length[mid]1;
}else{
right=mid;
}
}
length[left]=nums[i];
if(right==len)
len++;
}
returnlen;
}
}
最長(zhǎng)公共子序列
最長(zhǎng)公共子序列也成為L(zhǎng)CS.出現(xiàn)頻率非常高!
給定兩個(gè)字符串 text1 和 text2,返回這兩個(gè)字符串的最長(zhǎng) 公共子序列 的長(zhǎng)度。如果不存在 公共子序列 ,返回 0 。
一個(gè)字符串的 子序列 是指這樣一個(gè)新的字符串:它是由原字符串在不改變字符的相對(duì)順序的情況下刪除某些字符(也可以不刪除任何字符)后組成的新字符串。
例如,"ace" 是 "abcde" 的子序列,但 "aec" 不是 "abcde" 的子序列。
兩個(gè)字符串的 公共子序列 是這兩個(gè)字符串所共同擁有的子序列。
拿b c d d e和 a c e e d e舉例,其的公共子串為c d e。如果使用暴力,復(fù)雜度太高會(huì)直接超時(shí),就需要使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃。兩個(gè)字符串匹配,我們?cè)O(shè)立二維dp[][]
數(shù)組,dp[i][j]
表示text1串第i個(gè)結(jié)尾,text2串第j個(gè)結(jié)尾的最長(zhǎng)公共子串的長(zhǎng)度。
這里核心就是要搞懂狀態(tài)轉(zhuǎn)移,分析dp[i][j]
的轉(zhuǎn)換情況,當(dāng)?shù)竭_(dá)i,j時(shí)候:
如果text1[i]==text2[j]
,因?yàn)閮蓚€(gè)元素都在最末尾的位置,所以一定可以匹配成功,換句話說(shuō),這個(gè)位置的鄰居dp值不可能大于他(最多相等)。所以這個(gè)時(shí)候就是dp[i][j]
=dp[i-1][j-1]
+1
;
如果text1[i]!=text2[j]
,就有兩種可能性,我們知道的鄰居有dp[i-1][j]
,dp[i][j-1]
,很多人還會(huì)想到dp[i-1][j-1]
這個(gè)一定比前兩個(gè)小于等于,因?yàn)榫褪乔懊?strong style="color:rgb(233,105,0);font-size:inherit;line-height:inherit;">兩個(gè)子范圍嘛!所以這時(shí)就相當(dāng)于末尾匹配不成,就要看看鄰居能匹配的最大值啦,此時(shí)dp[i][j]
=max(dp[i][j-1],dp[i-1][j])
。
所以整個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為:
dp[i][j]=dp[i-1][j-1]+1//text1[i]==text2[j]時(shí)
dp[i][j]=max(dp[i][j-1],dp[i-1][j])//text1[i]!=text2[j]時(shí)
實(shí)現(xiàn)代碼為:
classSolution{
publicintlongestCommonSubsequence(Stringtext1,Stringtext2){
charch1[]=text1.toCharArray();
charch2[]=text2.toCharArray();
intdp[][]=newint[ch1.length+1][ch2.length+1];
for(inti=0;ifor(intj=0;jif(ch1[i]==ch2[j])
{
dp[i+1][j+1]=dp[i][j]+1;
}
else
dp[i+1][j+1]=Math.max(dp[i][j+1],dp[i+1][j]);
}
}
returndp[ch1.length][ch2.length];
}
}
最長(zhǎng)公共子串
給定兩個(gè)字符串str1和str2,輸出兩個(gè)字符串的最長(zhǎng)公共子串。
例如 abceef 和a2b2cee3f的最長(zhǎng)公共子串就是cee。公共子串是兩個(gè)串中最長(zhǎng)連續(xù)的相同部分。
如何分析呢? 和上面最長(zhǎng)公共子序列的分析方式相似,要進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃匹配,并且邏輯上處理更簡(jiǎn)單,只要當(dāng)前i,j不匹配那么dp值就為0,如果可以匹配那么就變成dp[i-1][j-1] + 1
核心的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為:
dp[i][j]=dp[i-1][j-1]+1//text1[i]==text2[j]時(shí)
dp[i][j]=0//text1[i]!=text2[j]時(shí)
這里代碼和上面很相似就不寫(xiě)啦,但是有個(gè)問(wèn)題有的會(huì)讓你輸出最長(zhǎng)字符串之類(lèi),你要記得用一些變量存儲(chǔ)值。
不同子序列
不同子序列也會(huì)出現(xiàn),并且有些難度,前面這篇不同子序列問(wèn)題分析講的大家可以看看。
給定一個(gè)字符串 s 和一個(gè)字符串 t ,計(jì)算在 s 的子序列中 t 出現(xiàn)的個(gè)數(shù)。
字符串的一個(gè) 子序列 是指,通過(guò)刪除一些(也可以不刪除)字符且不干擾剩余字符相對(duì)位置所組成的新字符串。(例如,"ACE" 是 "ABCDE" 的一個(gè)子序列,而 "AEC" 不是)
示例 :
輸入:s ="rabbbit",t="rabbit"
輸出:3
解釋?zhuān)?如下圖所示,有3種可以從s中得到"rabbit"的方案。
(上箭頭符號(hào)^表示選取的字母)
rabbbit
^^^^^^
rabbbit
^^^^^^
rabbbit
^^^^^^
分析:
這個(gè)問(wèn)題其實(shí)就是上面有幾個(gè)pat的變形拓展,其基本思想其實(shí)是一致的,上面那題問(wèn)的是有幾個(gè)pat,固定、且很短。但這里面t串的長(zhǎng)度不固定,所以處理上就要使用數(shù)組來(lái)處理而不能直接if else。
這題的思路肯定也是動(dòng)態(tài)規(guī)劃dp了,dp[j]
的意思就是t串中[0,j-1]長(zhǎng)字符在s中能夠匹配的數(shù)量(當(dāng)然這個(gè)值從前往后是動(dòng)態(tài)變化的),數(shù)組大小為dp[t.length+1]
。在遍歷s串的每一個(gè)元素都要和t串中所有元素進(jìn)行對(duì)比看看是否相等,如果s串枚舉到的這個(gè)串和t串中的第j個(gè)相等。那么dp[j+1]+=dp[j]
。你可能會(huì)問(wèn)為啥是dp[j+1]
,因?yàn)榈谝粋€(gè)元素匹配到需要將數(shù)量+1,而這里為了避免這樣的判斷我們將dp[0]=1
,這樣t串的每個(gè)元素都能正常的操作。
但是有一點(diǎn)需要注意的就是在遍歷s串中第i個(gè)字母的時(shí)候,遍歷t串比較不能從左向右而必須從右向左。因?yàn)樵诒闅vs串的第i個(gè)字符在枚舉dp數(shù)組時(shí)候要求此刻數(shù)據(jù)是相對(duì)靜止的疊加(即同一層次不能產(chǎn)生影響),而從左往右進(jìn)行遇到相同字符會(huì)對(duì)后面的值產(chǎn)生影響。區(qū)別的話可以參考下圖這個(gè)例子:
實(shí)現(xiàn)的代碼為:
classSolution{
publicintnumDistinct(Strings,Stringt){
chars1[]=s.toCharArray();
chart1[]=t.toCharArray();
intdp[]=newint[t1.length+1];
dp[0]=1;//用來(lái)疊加
for(inti=0;ifor(intj=t1.length-1;j>=0;j--)
{
if(t1[j]==s1[i])
{
dp[j+1]+=dp[j];
}
}
}
returndp[t1.length];
}
}
結(jié)語(yǔ)
至此,簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)規(guī)劃算是分享完了。
大部分簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)規(guī)劃還是有套路的,你看到一些數(shù)組問(wèn)題、字符串問(wèn)題很有可能就暗藏動(dòng)態(tài)規(guī)劃。動(dòng)態(tài)規(guī)劃的套路跟遞歸有點(diǎn)點(diǎn)相似,主要是找到狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程,有時(shí)候考慮問(wèn)題不能一步想的太多(想太多可能就把自己繞進(jìn)去了),而動(dòng)態(tài)規(guī)劃就是要大家對(duì)數(shù)值上下轉(zhuǎn)換計(jì)算需要了解其中關(guān)系。
對(duì)于復(fù)雜dp問(wèn)題或者很多套一層殼確實(shí)很難看出來(lái),但是掌握上面的常見(jiàn)dp問(wèn)題和背包問(wèn)題,就可以解決大部分動(dòng)態(tài)規(guī)劃問(wèn)題啦(畢竟咱們不是搞競(jìng)賽遇到的還是偏簡(jiǎn)單或者中等難度的)。
-
動(dòng)態(tài)
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數(shù)組
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原文標(biāo)題:動(dòng)態(tài)規(guī)劃,它來(lái)了
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