数据结构与算法之动态规划 核心思想 最优子结构 / 重叠子问题 深度解析

数据结构与算法阿木 发布于 5 天前 1 次阅读


摘要:动态规划(Dynamic Programming,简称DP)是解决最优化问题的有效方法之一。本文将围绕动态规划的核心思想——最优子结构和重叠子问题,进行深度解析,并通过实际代码示例展示动态规划在解决具体问题中的应用。

一、

动态规划是一种将复杂问题分解为子问题,并存储子问题的解以避免重复计算的方法。它广泛应用于计算机科学、经济学、工程学等领域。动态规划的核心思想是利用最优子结构和重叠子问题,通过递归或迭代的方式求解问题。

二、最优子结构

最优子结构是指一个问题的最优解包含其子问题的最优解。在动态规划中,如果一个问题可以通过将问题分解为若干个子问题,并从这些子问题的最优解中构造出原问题的最优解,那么该问题就具有最优子结构。

以下是一个具有最优子结构的例子:最长公共子序列(Longest Common Subsequence,简称LCS)。

假设有两个序列A和B,长度分别为m和n。LCS问题是指找出两个序列中公共子序列的最长长度。我们可以将LCS问题分解为以下子问题:

1. LCS(A[1:i], B[1:j]),其中i和j分别表示序列A和B的长度。

2. LCS(A[1:i], B[1:j-1]),即去掉序列B的最后一个元素。

3. LCS(A[1:i-1], B[1:j]),即去掉序列A的最后一个元素。

通过比较这三个子问题的解,我们可以得到LCS(A[1:i], B[1:j])的最优解。

三、重叠子问题

重叠子问题是指子问题在递归过程中重复出现。动态规划通过存储子问题的解来避免重复计算,从而提高算法的效率。

以下是一个具有重叠子问题的例子:斐波那契数列(Fibonacci Sequence)。

斐波那契数列是指满足以下条件的数列:F(0) = 0, F(1) = 1, F(n) = F(n-1) + F(n-2) (n ≥ 2)。我们可以使用递归的方式求解斐波那契数列:

python

def fibonacci(n):


if n <= 1:


return n


return fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2)


上述递归方法存在大量的重叠子问题。例如,计算F(5)时,F(3)和F(4)都会被计算两次。为了解决这个问题,我们可以使用动态规划的方法:

python

def fibonacci_dp(n):


fib = [0] (n+1)


fib[1] = 1


for i in range(2, n+1):


fib[i] = fib[i-1] + fib[i-2]


return fib[n]


在这个例子中,我们使用一个数组fib来存储斐波那契数列的每个值,从而避免了重复计算。

四、动态规划的应用

动态规划在解决实际问题中具有广泛的应用。以下是一些常见的动态规划问题:

1. 最长公共子序列(LCS)

2. 最长递增子序列(Longest Increasing Subsequence,简称LIS)

3. 最小路径和(Minimum Path Sum)

4. 背包问题(Knapsack Problem)

5. 最短路径问题(Shortest Path Problem)

以下是一个使用动态规划解决背包问题的例子:

python

def knapsack(weights, values, capacity):


n = len(weights)


dp = [[0] (capacity + 1) for _ in range(n + 1)]


for i in range(1, n + 1):


for j in range(1, capacity + 1):


if weights[i-1] <= j:


dp[i][j] = max(dp[i-1][j], dp[i-1][j-weights[i-1]] + values[i-1])


else:


dp[i][j] = dp[i-1][j]


return dp[n][capacity]


在这个例子中,我们使用一个二维数组dp来存储子问题的解。dp[i][j]表示在容量为j的背包中,前i个物品的最大价值。

五、总结

动态规划是一种解决最优化问题的有效方法。通过最优子结构和重叠子问题的核心思想,我们可以将复杂问题分解为子问题,并存储子问题的解以避免重复计算。本文通过实际代码示例展示了动态规划在解决具体问题中的应用,并介绍了动态规划在计算机科学、经济学、工程学等领域的广泛应用。

参考文献:

[1] 贾春峰. 动态规划[M]. 清华大学出版社,2012.

[2] 罗伯特·塞奇威克. 算法导论[M]. 机械工业出版社,2012.

[3] 莱因哈特·艾特金森. 动态规划及其应用[M]. 清华大学出版社,2010.