算法入门系列一--DP初步

数字三角形(数塔问题)


其实动态规划本身并不是一个特定的算法,是一种用途广泛的问题求解方法,一种思想,一种手段。


1.1问题描述与状态定义


有一个有非负整数组成的三角形,第一行一个数字,下面各行除了最后一行外,每行的每个数字下面左右各一个数字。
如图示:

从第一行数字开始,每次只能走左下或右下一格,直到走到最后一行,把沿途的走过的所有数字加起来。
如何能使这个和最大?

【问题复杂度分析】如果熟悉回溯法,就会立即发现这是一个动态的决策问题:每次两个选择----左下或右下。
但是如果选择用回溯法解决此问题,惯常的问题就是效率太低:一格n层的数字三角形的完整路线有2^n条,所以当n很大时完全不能靠此方法。

因此为了提高效率,需要把此问题抽象:把所有的位置(i,j)抽象为一个个不同的状态,然后定义状态(i,j)的指标函数d(i,j)为从格子(i,j)出发时能得到的最大的和(包括此格子本身)。在这个定义下,原问题的解是d(1,1)。

如下图:


  【状态转移分析】从格子(i,j)出发有两种决策。若往左走,则走到(i+1,j)后续要求“从(i+1,j)出发后能得到的最大和“这一问题,即是d(i+1,j)。类似的,往右做之后要求解d(i,j+1)。由于这两个选择自由可选,所以,应该选择较大的。即得到了所谓的状态转移方程:

d(i,j) = a(i,j) + max { d(i+1, j), d(i, j+1)  }

最优子结构:如果往左走,最好的情况是(i,j)格子里面的值a(i,j) 与”从(i+1,j)出发后能得到的最大和"之和, 注意"最大"两个字,如果从(i,j)出发到底部这部分都不是最大的话,加上a(i,j)也必然不是最大的。这就是最优子结构。或描述全局最优解包含局部最优解。


【总结】动态规划的核心是状态和状态转移方程。

1.2 解决方法:记忆化搜索与递推


方法一:递归计算

代码如下:(注意边界)
int d(int i, int j)
{
    return a[i][j] +( i == n ? 0 : d(i+1, j) >? d(i, j+1) ) ;
}

如此计算正确只是效率依然不高,问题在于重复计算。就是一些格子被两个父节点所共有,所以,在递归的时候,便会被重复计算。


方法二: 递推计算


代码如下: (注意此时重复边界的处理)
int  i, j;
for (j=1; j<=n; j++)
    d[n][j] = a[n][j] ;
for (i=n-1; i>=1; i--)
    for (j=1; j<=i; j++)
	{
		d[i][j] = a [i][j] + d[i+1][j] >? d[i][j+1] ;
	}


时间复杂度显然是O(n^2),
可以如此计算的原因在于: i是逆序枚举的,因此在计算d[i] [j] 之前,他所需要的d[i+1][j] 和 d[i][j+1] 已经计算出来了。

提示:在多数情况下,可以采用递推法计算状态转移方程。递推的关键在于边界和计算顺序。多数情况下,递推法的时间复杂度是:状态转移方程X每个状态的决策数X决策时间。


方法三:记忆化搜索

程序分为两部分。首先用数组函数memset();将数组整体置为-1,然后写递归函数:
int d(int i, int j)
{
    if(d[i][j >= 0) return d[i][j] ;
    return d[i][j] = a[i][j] +( i == n ? 0 : d(i+1, j) >? d(i, j+1) ) ;
}

依然是递归函数,同时把计算结果存在数组d中。题目说各个数字均为非负数,因此如已经计算过某个d[i][j],那么期应该是非负数。 这样只需要把所有的数组元素初始化为负数,如-1,就可以知道是否计算过d[i][j].
注意:不要忘记把结果存在数组d[i][j]中。根绝c语言的”赋值语句本身有返回值“的规定,可以把保存d[i][j]的工作整合在函数的返回语句中。

上述的方法三称为记忆化,虽然不像地推算法那样显示的指明了计算的顺序,但是任然可以保证每个节点只访问了一次。

由于i和j都在1~n之间,所以所有的不同的节点之间一共有O(n^2)个。即是时间复杂度。

提示:可以用记忆化搜索的方法计算状态转移方程。采用记忆化搜索时,不必事先确定个状态的计算顺序,但需要记住每个状态是否计算过。


1.3程序实战练手

HDOJ--2084


未完待续...................
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