动态规划系列一:爬楼梯
1.1 概念讲解
讲解动态规划的资料很多,官方的定义是指把多阶段过程转化为一系列单阶段问题,利用各阶段之间的关系,逐个求解。概念中的各阶段之间的关系,其实指的就是状态转移方程。很多人觉得 DP 难(下文统称动态规划为 DP),根本原因是因为 DP 区别于一些固定形式的算法(比如 DFS、二分法、KMP),没有实际的步骤规定第一步第二步来做什么,所以准确的说,DP 其实是一种解决问题的思想。
这种思想的本质是:一个规模比较大的问题(可以用两三个参数表示的问题),可以通过若干规模较小的问题的结果来得到的(通常会寻求到一些特殊的计算逻辑,如求最值等)
图 1
所以我们一般看到的状态转移方程,基本都是这样:
opt :指代特殊的计算逻辑,通常为 max or min。
i,j,k 都是在定义 DP 方程中用到的参数。
dp[i] = opt(dp[i-1])+1
dp[i][j] = w(i,j,k) + opt(dp[i-1][k])
dp[i][j] = opt(dp[i-1][j] + xi, dp[i][j-1] + yj, …)
每一个状态转移方程,多少都有一些细微的差别。这个其实很容易理解,世间的关系多了去了,不可能抽象出完全可以套用的公式。所以我个人其实不建议去死记硬背各种类型的状态转移方程。但是 DP 的题型真的就完全无法掌握,无法归类进行分析吗?我认为不是的。在本系列中,我将由简入深为大家讲解动态规划这个主题。
我们先看上一道最简单的 DP 题目,熟悉 DP 的概念:
题目:假设你正在爬楼梯。需要 n 阶你才能到达楼顶。每次你可以爬 1 或 2 个台阶。你有多少种不同的方法可以爬到楼顶呢?注意:给定 n 是一个正整数。
示例 1:
输入:2 输出:2 解释:有两种方法可以爬到楼顶。
1 阶 + 1 阶
2 阶
示例 2:
输入:3 输出:3 解释:有三种方法可以爬到楼顶。
1 阶 + 1 阶 + 1 阶
1 阶 + 2 阶
2 阶 + 1 阶
1.2 题目图解
通过分析我们可以明确,该题可以被分解为一些包含最优子结构的子问题,即它的 最优解可以从其子问题的最优解来有效地构建。满足“将大问题分解为若干个规模较小的问题”的条件。所以我们令 dp[n] 表示能到达第 n 阶的方法总数,可以得到如下状态转移方程:
dp[n]=dp[n-1]+dp[n-2]
上 1 阶台阶:有 1 种方式。
上 2 阶台阶:有 1+1 和 2 两种方式。
上 3 阶台阶:到达第 3 阶的方法总数就是到第 1 阶和第 2 阶的方法数之和。
上 n 阶台阶,到达第 n 阶的方法总数就是到第 (n-1) 阶和第 (n-2) 阶的方法数之和。
图 2
1.3 Go 语言示例
根据分析,得到代码如下:
动态规划系列二:最大子序和
2.1 最大子序和
题目:给定一个整数数组 nums ,找到一个具有最大和的连续子数组(子数组最少包含一个元素),返回其最大和。
示例 :
输入: [-2,1,-3,4,-1,2,1,-5,4],
输出: 6
解释: 连续子数组 [4,-1,2,1] 的和最大,为 6。
拿到题目请不要看下方题解,先自行思考 2-3 分钟…
2.2 题目图解
首先我们分析题目,一个连续子数组一定要以一个数作为结尾,那么我们可以将状态定义成如下:
dp[i]:表示以 nums[i] 结尾的连续子数组的最大和。
那么为什么这么定义呢?因为这样定义其实是最容易想到的!在上一节中我们提到,状态转移方程其实是通过 1-3 个参数的方程来描述小规模问题和大规模问题间的关系。
当然,如果你没有想到,其实也非常正常!因为 “该问题最早于 1977 年提出,但是直到 1984 年才被发现了线性时间的最优解法。”
根据状态的定义,我们继续进行分析:
如果要得到 dp[i],那么 nums[i]一定会被选取。并且 dp[i] 所表示的连续子序列与 dp[i-1] 所表示的连续子序列很可能就差一个 nums[i] 。即
dp[i] = dp[i-1]+nums[i] , if (dp[i-1] >= 0)
但是这里我们遇到一个问题,很有可能 dp[i-1]本身是一个负数。那这种情况的话,如果 dp[i]通过 dp[i-1]+nums[i]来推导,那么结果其实反而变小了,因为我们 dp[i]要求的是最大和。所以在这种情况下,如果 dp[i-1]<0,那么 dp[i]其实就是 nums[i]的值。即
dp[i] = nums[i] , if (dp[i-1] < 0)
综上分析,我们可以得到:
dp[i]=max(nums[i], dp[i−1]+nums[i])
得到了状态转移方程,但是我们还需要通过一个已有的状态的进行推导,我们可以想到 dp[0] 一定是以 nums[0] 进行结尾,所以
dp[0] = nums[0]
在很多题目中,因为 dp[i]本身就定义成了题目中的问题,所以 dp[i]最终就是要的答案。但是这里状态中的定义,并不是题目中要的问题,不能直接返回最后的一个状态 (这一步经常有初学者会摔跟头)。所以最终的答案,其实我们是寻找:
max(dp[0], dp[1], …, d[i-1], dp[i])
分析完毕,我们绘制成图:
假定 nums 为 [-2,1,-3,4,-1,2,1,-5,4]
图 3
2.3 Go 语言示例
根据分析,得到代码如下:
我们可以进一步精简代码为:
复杂度分析:时间复杂度:O(N)。空间复杂度:O(N)。
动态规划系列三:最长上升子序列
3.1 最长上升子序列
题目:给定一个无序的整数数组,找到其中最长上升子序列的长度。
示例:
输入: [10,9,2,5,3,7,101,18]
输出: 4
解释: 最长的上升子序列是 [2,3,7,101],它的长度是 4。
说明:可能会有多种最长上升子序列的组合,你只需要输出对应的长度即可。
本题有一定难度!
如果没有思路请回顾上一篇的学习内容!
不建议直接看题解!
3.2 题目图解
首先我们分析题目,要找的是最长上升子序列(Longest Increasing Subsequence,LIS)。因为题目中没有要求连续,所以 LIS 可能是连续的,也可能是非连续的。同时,LIS 符合可以从其子问题的最优解来进行构建的条件。所以我们可以尝试用动态规划来进行求解。首先我们定义状态:
dp[i] :表示以 nums[i]结尾的最长上升子序列的长度
我们假定 nums 为[1,9,5,9,3]
图 4
我们分两种情况进行讨论:
如果 nums[i]比前面的所有元素都小,那么 dp[i]等于 1(即它本身)(该结论正确)
如果 nums[i]前面存在比他小的元素 nums[j],那么 dp[i]就等于 dp[j]+1 (该结论错误,比如 nums[3]>nums[0],即 9>1,但是 dp[3]并不等于 dp[0]+1)
我们先初步得出上面的结论,但是我们发现了一些问题。因为 dp[i]前面比他小的元素,不一定只有一个!
可能除了 nums[j],还包括 nums[k],nums[p] 等等等等。所以 dp[i]除了可能等于 dp[j]+1,还有可能等于 dp[k]+1,dp[p]+1 等等等等。所以我们求 dp[i],需要找到 dp[j]+1,dp[k]+1,dp[p]+1 等等等等中的最大值。(我在 3 个等等等等上都进行了加粗,主要是因为初学者非常容易在这里摔跟斗!这里强调的目的是希望能记住这道题型!)
即:
dp[i] = max(dp[j]+1,dp[k]+1,dp[p]+1,…)
只要满足:
nums[i] > nums[j]
nums[i] > nums[k]
nums[i] > nums[p]
…
最后,我们只需要找到 dp 数组中的最大值,就是我们要找的答案。
分析完毕,我们绘制成图:
图 5
3.3 Go 语言示例
根据分析,得到代码如下:
动态规划系列四:三角形最小路径和
前面章节我们通过题目“最长上升子序列”以及"最大子序和",学习了 DP(动态规划)在线性关系中的分析方法。这种分析方法,也在运筹学中被称为“线性动态规划”,具体指的是 “目标函数为特定变量的线性函数,约束是这些变量的线性不等式或等式,目的是求目标函数的最大值或最小值”。这点大家作为了解即可,不需要死记,更不要生搬硬套!
在本节中,我们将继续分析一道略微区别于之前的题型,希望可以由此题与之前的题目进行对比论证,进而顺利求解!
4.1 三角形最小路径和
题目:给定一个三角形,找出自顶向下的最小路径和。
示例:
每一步只能移动到下一行中相邻的结点上。
例如,给定三角形:
自顶向下的最小路径和为 11(即,2 + 3 + 5 + 1 = 11)。
4.2 自顶向下图解分析
首先我们分析题目,要找的是三角形最小路径和,这是个啥意思呢?假设我们有一个三角形:[[2], [3,4], [6,5,7], [4,1,8,3]]
图 6
那从上到下的最小路径和就是 2-3-5-1,等于 11。
由于我们是使用数组来定义一个三角形,所以便于我们分析,我们将三角形稍微进行改动:
图 7
这样相当于我们将整个三角形进行了拉伸。这时候,我们根据题目中给出的条件:每一步只能移动到下一行中相邻的结点上。其实也就等同于,每一步我们只能往下移动一格或者右下移动一格。将其转化成代码,假如 2 所在的元素位置为[0,0],那我们往下移动就只能移动到[1,0]或者[1,1]的位置上。假如 5 所在的位置为[2,1],同样也只能移动到[3,1]和[3,2]的位置上。如下图所示:
图 8
题目明确了之后,现在我们开始进行分析。题目很明显是一个找最优解的问题,并且可以从子问题的最优解进行构建。所以我们通过动态规划进行求解。首先,我们定义状态:
dp[i][j] : 表示包含第 i 行 j 列元素的最小路径和
我们很容易想到可以自顶向下进行分析。并且,无论最后的路径是哪一条,它一定要经过最顶上的元素,即[0,0]。所以我们需要对 dp[0][0]进行初始化。
dp[0][0] = [0][0]位置所在的元素值
继续分析,如果我们要求 dp[i][j],那么其一定会从自己头顶上的两个元素移动而来。
图 9
如 5 这个位置的最小路径和,要么是从 2-3-5 而来,要么是从 2-4-5 而来。然后取两条路径和中较小的一个即可。进而我们得到状态转移方程:
dp[i][j] = min(dp[i-1][j-1],dp[i-1][j]) + triangle[i][j]
但是,我们这里会遇到一个问题!除了最顶上的元素之外,
图 10
最左边的元素只能从自己头顶而来。(2-3-6-4)
图 11
最右边的元素只能从自己左上角而来。(2-4-7-3)
然后,我们观察发现,位于第 2 行的元素,都是特殊元素(因为都只能从[0,0]的元素走过来)
图 12
我们可以直接将其特殊处理,得到:
dp[1][0] = triangle[1][0] + triangle[0][0]
dp[1][1] = triangle[1][1] + triangle[0][0]
最后,我们只要找到最后一行元素中,路径和最小的一个,就是我们的答案。即:
l:dp 数组长度
result = min(dp[l-1,0],dp[l-1,1],dp[l-1,2]…)
综上我们就分析完了,我们总共进行了 4 步:
定义状态
总结状态转移方程
分析状态转移方程不能满足的特殊情况。
得到最终解
4.3 代码分析
分析完毕,代码自成:
图 13
运行上面的代码,我们发现使用的内存过大。我们有没有什么办法可以压缩内存呢?通过观察我们发现,在我们自顶向下的过程中,其实我们只需要使用到上一层中已经累积计算完毕的数据,并且不会再次访问之前的元素数据*绘制成图如下:
图 14
优化后的代码如下:
图 15
动态规划系列五:最小路径和
在上节中,我们通过分析,顺利完成了“三角形最小路径和”的动态规划题解。在本节中,我们继续看一道相似题型,以求能完全掌握这种“路径和”的问题。话不多说,先看题目:
5.1 最小路径和
题目:给定一个包含非负整数的 m x n 网格,请找出一条从左上角到右下角的路径,使得路径上的数字总和为最小。说明:每次只能向下或者向右移动一步。
示例:
输入:
[
[1,3,1],
[1,5,1],
[4,2,1]
]
输出: 7
解释: 因为路径 1→3→1→1→1 的总和最小。
5.2 图解分析
首先我们分析题目,要找的是 最小路径和,这是个啥意思呢?假设我们有一个 m*n 的矩形 :[[1,3,1],[1,5,1],[4,2,1]]
图 16
那从左上角到右下角的最小路径和,我们可以很容易看出就是 1-3-1-1-1,这一条路径,结果等于 7。
题目明确了,我们继续进行分析。该题与上一道求三角形最小路径和一样,题目明显符合可以从子问题的最优解进行构建,所以我们考虑使用动态规划进行求解。首先,我们定义状态:
dp[i][j] : 表示包含第 i 行 j 列元素的最小路径和
同样,因为任何一条到达右下角的路径,都会经过[0,0]这个元素。所以我们需要对 dp[0][0]进行初始化。
dp[0][0] = [0][0]位置所在的元素值
继续分析,根据题目给的条件,如果我们要求 dp[i][j],那么它一定是从自己的上方或者左边移动而来。如下图所示:
图 17
5,只能从 3 或者 1 移动而来
2,只能从 5 或者 4 移动而来
4,从 1 移动而来
3,从 1 移动而来
红色位置必须从蓝色位置移动而来
进而我们得到状态转移方程:
dp[i][j] = min(dp[i-1][j],dp[i][j-1]) + grid[i][j]
同样我们需要考虑两种特殊情况:
最上面一行,只能由左边移动而来(1-3-1)
最左边一列,只能由上面移动而来(1-1-4)
图 18
最后,因为我们的目标是从左上角走到右下角,整个网格的最小路径和其实就是包含右下角元素的最小路径和。即:
设:dp 的长度为 l
最终结果就是:dp[l-1][len(dp[l-1])-1]
综上我们就分析完了,我们总共进行了 4 步:
定义状态
总结状态转移方程
分析状态转移方程不能满足的特殊情况。
得到最终解
5.3 代码分析
分析完毕,代码自成:
图 19
同样,运行上面的代码,我们发现使用的内存过大。有没有什么办法可以压缩内存呢?通过观察我们发现,在我们自左上角到右下角计算各个节点的最小路径和的过程中,我们只需要使用到之前已经累积计算完毕的数据,并且不会再次访问之前的元素数据。绘制成图如下:(大家看这个过程像不像扫雷,其实如果大家研究扫雷外挂的话,就会发现在扫雷的核心算法中,就有一处颇为类似这种分析方法,这里就不深究了)
图 20
优化后的代码如下:
图 21
本系列所有教程中都不会用到复杂的语言特性,大家不需要担心没有学过 go。算法思想最重要,使用 go 纯属作者爱好。
原文首发于公众号-浩仔讲算法
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