Java教程
算法设计与分析：动态规划
- 3-2 编辑距离
- 问题描述
- 算法描述
- 关键代码
- 结果分析
- 3-5 乘法表问题
- 问题描述
- 算法描述
- 关键代码
- 结果分析
- 3-7 汽车加油行驶问题
- 问题描述
- 算法描述
- 关键代码
- 结果分析
3-2 编辑距离
问题描述
设A和B是2个字符串。要用最少的字符操作将字符串A转换为字符串B。这里所说的字符操作包括 (1)删除一个字符； (2)插入一个字符； (3)将一个字符改为另一个字符。 将字符串A变换为字符串B所用的最少字符操作数称为字符串A到 B的编辑距离，记为d(A,B)。对于给定的字符串A和字符串B，计算其编辑距离 d(A,B)。
算法描述
解决两个字符串的动态规划问题，一般都是用两个指针 i, j 分别指向两个字符串的最后，然后一步步往前走，缩小问题的规模。
对于每对字符 s1[i] 和 s2[j]，可以有四种操作：
if s1[i-1] == s2[j-1]
不作操作（skip）
i, j 同时向前移动
else
三选一，取最小：
插入（insert）
删除（delete）
替换（replace）
定义 dp 数组：dp[i][j] 存储 s1[0..i-1] 和 s2[0..j-1] 的最小编辑距离 。
上述四种选择所对应的 dp 递推表达式为：
匹配操作：
\[dp[i][j]=dp[i-1][j-1] \]插入，删除，替换操作，
\[dp[i][j] = min( dp[i][j - 1] + 1,dp[i - 1][j] + 1,dp[i - 1][j - 1] + 1) \]关键代码
int n1 = word1.length();
int n2 = word2.length();
int[][] dp = new int[n1+1][n2+1];
//base case
for(int i=0;i<=n2;i++){
dp[0][i]=i;
}
for(int i=0;i<=n1;i++){
dp[i][0]=i;
}
//状态转移
for(int i=1;i<=n1;i++){
for(int j =1;j<=n2;j++){
if(word1.charAt(i-1)==word2.charAt(j-1)){
dp[i][j]=dp[i-1][j-1];
}else{
dp[i][j]=1+Math.min(
dp[i][j-1],
Math.min(dp[i-1][j],dp[i-1][j-1])
);
}
}
}
System.out.println(dp[n1][n2]);
结果分析
输入: word1 = "fxpimu", word2 = "xwrs"
输出：5
输入: word1 = "horse", word2 = "ros"
输出：3
输入：word1 = "intention", word2 = "execution"
输出：5
dp数组的每一项均只被访问一次，算法时间复杂度为\(O(n1*n2)\)，空间复杂度为\(O(n1*n2)\)，\(n1,n2\)分别为字符串w1,w2的长度
3-5 乘法表问题
问题描述
定义于字母表∑{a,b,c)上的乘法表如表所示：
依此乘法表,对任一定义于∑{a,b,c}上的字符串,适当加括号表达式后得到一个表达式。
例如,对于字符串x=bbbba,它的一个加括号表达式为(b(bb))(ba)。依乘法表,该表达式的值为a。
试设计一个动态规划算法,对任一定义于∑{a,b,c}上的字符串x=x1x2…xn，计算有多少种不同的加括号方式, 使由x导出的加括号表达式的值为a。
算法描述
设 0, 1 ,2 分别表示常量a,b,c，N为字符串的长度。
定义dp数组:dp[i][j][k]，表示字符字串i-j有多少种不同的加括号方式得到k
设字符串的第 i 到 第 j 位乘积为 a 的加括号法有 dp[i][j][0]种，
字符串的第 i 到 第 j 位乘积为 b 的加括号法有dp[i][j][1] 种,
字符串的第 i 到 第 j 位乘积为 c 的加括号法有 dp[i][j][2] 种。
则原问题的解是： dp[0][N-1][0] 。
设 k 为 i 到 j 中的某一个字符，则对于 k 来说，根据乘法表有：
dp[i][j][0] += dp[i][k][0] * dp[k + 1][j][2] + dp[i][k][1] * dp[k + 1][j][2] + dp[i][k][2] * dp[k + 1][j][0]; dp[i][j][1] += dp[i][k][0] * dp[k + 1][j][0] + dp[i][k][0] * dp[k + 1][j][1] + dp[i][k][1] * dp[k + 1][j][1]; dp[i][j][2] += dp[i][k][1] * dp[k + 1][j][0] + dp[i][k][2] * dp[k + 1][j][1] + dp[i][k][2] * dp[k + 1][j][2];
dp数组遍历顺序：
关键代码
String str = scan.nextLine();
int n = str.length();
//dp[i][j][k]表示字符子串i:j乘积为k的总数（k=a,b,c）
int[][][] dp = new int[n][n][3];
for (int i = 0; i < n; i++) {
dp[i][i][0] = str.charAt(i) == 'a' ? 1 : 0;
dp[i][i][1] = str.charAt(i) == 'b' ? 1 : 0;
dp[i][i][2] = str.charAt(i) == 'c' ? 1 : 0;
}
for (int r = 2; r <= n; r++) {
for (int i = 0; i < n - r + 1; i++) {
//字符子串i:j
int j = i + r - 1;
for (int k = i; k < j; k++) {
dp[i][j][0] += dp[i][k][0]*dp[k + 1][j][2] + dp[i][k][1]*dp[k + 1][j][2] + dp[i][k][2]*dp[k + 1][j][0];
dp[i][j][1] += dp[i][k][0]*dp[k + 1][j][0] + dp[i][k][0]*dp[k + 1][j][1] + dp[i][k][1]*dp[k + 1][j][1];
dp[i][j][2] += dp[i][k][1]*dp[k + 1][j][0] + dp[i][k][2]*dp[k + 1][j][1] + dp[i][k][2]*dp[k + 1][j][2];
}
}
}
System.out.println(dp[0][n - 1][0]);
}
结果分析
输入：bbbba
输出：6
输入：bbcbabcabc
输出：2093
算法时间复杂度\(O(N^3)\)，空间复杂度\(O(N^2)\)，N为字符串的长度
3-7 汽车加油行驶问题
问题描述
给定一个N×N 的方形网格，设其左上角为起点◎，坐标(1,1)，X轴为正， Y轴向下为正，每个方格边长为 1 ，如图所示。
一辆汽车从起点◎出发驶向右下角终点▲，其坐标为 (N,N)。
在若干个网格交叉点处，设置了油库，可供汽车在行驶途中加油。汽车在行驶过程中应遵守如下规则:
- 汽车只能沿网格边行驶，装满油后能行驶 K 条网格边。出发时汽车已装满油，在起点与终点处不设油库。
- 汽车经过一条网格边时，若其 X 坐标或 Y 坐标减小，则应付费用 BB ，否则免付费用。
- 汽车在行驶过程中遇油库则应加满油并付加油费用 A。
- 在需要时可在网格点处增设油库，并付增设油库费用 CC(不含加油费用AA )。
- N,K,A,B,C均为正整数， 且满足约束: 2≤N≤100,2≤K≤10。
设计一个算法，求出汽车从起点出发到达终点所付的最小费用。
算法描述
首先尝试标准动态规划算法：
定义dp数组：dp[i][j][k]
dp[x][y][0]表示从（1,1）到（x,y）所需最少费用。
dp[x][y][1]表示从汽车行驶到（x,y）还能行驶的网格边数。
最终即求dp[N][N][0]
过程分析：
1.比如现在到了(x,y)，上个位置有4种可能：左上右下（考虑越界的情况，有时候小于4），这四个位置都对应一个费用；
2.比如先选择上个位置是a，现在再去考虑当前位置（到油站否，有没有有油），并加上相应的价格；
3.此时得到一种可能下的（x,y）处费用；
4.我们遍历4个位置，寻找到(x,y)处的最小费用即可。
base case：
dp[1][1][0] = 0 dp[1][1][1] = K
递推关系式：
从上个位置到达（x,y）,"上个位置"有四种情况。
dp[x][y][0] = min{dp[x+si][y+si][0]},0≤i≤3
dp[x][y][1] = dp[x+si][y+si] - 1
若(x,y)是油库:
dp[x][y][0] += A
dp[x][y][1] = K
若(x,y)是不是油库，但是此时没有油了dp[x][y][1]=0
dp[x][y][0] += A+C
dp[x][y][1] = K
其中si数组表示四个方向的信息:
s={{1，0，B},{0，1，B},{-1，0，0},{0，-1，0}
动态规划的关键代码：
//cost[i][j][0]从(1,1)走到(i,j)的最小花费
//cost[i][j][1]走到(i,j)之后的剩余步数
int[][][] cost = new int[N + 1][N + 1][2];
for (int i = 1; i <= N; i++) {
for (int j = 1; j <= N; j++) {
cost[i][j][0] = Integer.MAX_VALUE / 4;
cost[i][j][1] = K;
}
}
cost[1][1][0] = 0;
int[][] s = {
{-1, 0, 0},
{0, -1, 0},
{1, 0, B},
{0, 1, B}
};
for (int x = 1; x <= N; x++) {
for (int y = 1; y <= N; y++) {
if (x == 1 && y == 1) {
continue;
}
int minCost = Integer.MAX_VALUE / 4;
int remainStep = 0;
int tempCost, tempStep;
for (int i = 0; i < 3; i++) {
//越界
if (x + s[i][0] < 1 || x + s[i][0] > N || y + s[i][1] < 1 || y + s[i][1] > N) {
continue;
}
//对于回退的情况，tempCost为无穷大，在之后的比较中被忽略
tempCost = cost[x + s[i][0]][y + s[i][1]][0] + s[i][2];
tempStep = cost[x + s[i][0]][y + s[i][1]][1] - 1;
if (a[x][y] == 1) {
//遇加油站必须加油
tempCost += A;
tempStep = K;
} else if (tempStep == 0 && (x != N || y != N)) {
//走不动了必须建加油站
tempCost += C + A;
tempStep = K;
}
if (tempCost < minCost) {
minCost = tempCost;
remainStep = tempStep;
} else if (tempCost == minCost) {
if (remainStep < tempStep) {
remainStep = tempStep;
}
}
if (cost[x][y][0] > minCost) {
cost[x][y][0] = minCost;
cost[x][y][1] = remainStep;
}
}
}
}
return cost[N][N][0];
算法时间复杂度\(O(N^2)\)，空间复杂度\(O(N^2)\)，N为方形网络地图宽度
标准动态规划算法的问题：
虽然该dp算法考虑了上个位置的4种可能，但由于遍历顺序的限制，仔细分析后发现只有左边和上边的位置能为状态转移提供信息，也就是说标准动态规划无法包含回退的情况，所得出的结果是局部最优解，类似于贪心算法的结果。
再考虑SPFA算法：
SPFA(Shortest Path Faster Algorithm)算法是求单源最短路径的一种算法，它是Bellman-ford的队列优化，是一种十分高效的最短路算法。实现方法：建立一个队列，初始时队列里只有起始点，在建立一个表格记录起始点到所有点的最短路径（该表格的初始值要赋为极大值，该点到他本身的路径赋为0）。然后执行松弛操作，用队列里有的点去刷新起始点到所有点的最短路，如果刷新成功且被刷新点不在队列中则把该点加入到队列最后。重复执行直到队列为空。
将方形网格抽象成图结构，将状态抽象成结点，将问题转换成求起点(1,1,K)到(N,N,k)的最短路径。SPFA算法在负权重图也能适用。SPFA算法能让一个结点多次入队，只要该结点的最小花费被更新，就将它入队，重新衡量该结点邻居的最小花费。
cost[x][y][k]表示从起点到(i,j)所剩余步数为k的情况下所花费的最小费用 visited[x][y][k]表示由x,y,z所决定的状态是否已经位于队列中
由a[x][y]的值去处理加油或者建造加油厂的逻辑，对于能更新最小花费的状态就入队
然后处理上一个位置的4种可能，对于能更新最小花费的状态也入队
关键代码
int[][] s = {
{-1, 0, B},
{0, -1, B},
{1, 0, 0},
{0, 1, 0}
};
Pair pair1 = new Pair(1, 1, K);
//cost[i][j][k]表示从起点到(i,j)所剩余步数为k的情况下所花费的最小费用
queue.offer(pair1);
cost[1][1][K] = 0;
visited[1][1][K] = 1;
while (!queue.isEmpty()) {
pair1 = queue.poll();
int x = pair1.x;
int y = pair1.y;
int k = pair1.step;
visited[x][y][k] = 0;
//需要加油
if (a[x][y] == 1 && k != K) {
if (cost[x][y][K] > cost[x][y][k] + A) {
cost[x][y][K] = cost[x][y][k] + A;
if (visited[x][y][K] == 0) {
visited[x][y][K] = 1;
queue.offer(new Pair(x, y, K));
}
}
continue;
} else {
//建造加油厂
if (cost[x][y][K] > cost[x][y][k] + A + C) {
cost[x][y][K] = cost[x][y][k] + A + C;
if (visited[x][y][K] == 0) {
visited[x][y][K] = 1;
queue.offer(new Pair(x, y, K));
}
}
}
if (k > 0) {
for (int i = 0; i < 4; i++) {
int nx = x + s[i][0];
int ny = y + s[i][1];
//越界
if (nx < 1 || nx > N || ny < 1 || ny > N) {
continue;
}
if (cost[nx][ny][k - 1] > cost[x][y][k] + s[i][2]) {
cost[nx][ny][k - 1] = cost[x][y][k] + s[i][2];
if (visited[nx][ny][k - 1] == 0) {
visited[nx][ny][k - 1] = 1;
queue.offer(new Pair(nx, ny, k - 1));
}
}
}
}
}
结果分析
输入：
9 3 2 3 6
0 0 0 0 1 0 0 0 0
0 0 0 1 0 1 1 0 0
1 0 1 0 0 0 0 1 0
0 0 0 0 0 1 0 0 1
1 0 0 1 0 0 1 0 0
0 1 0 0 0 0 0 1 0
0 0 0 0 1 0 0 0 1
1 0 0 1 0 0 0 1 0
0 1 0 0 0 0 0 0 0输出：12
输入：
9 2 4 3 6
0 0 0 0 1 0 0 0 0
0 1 0 1 0 0 1 0 0
1 0 0 0 0 0 0 1 0
0 0 1 0 0 0 0 0 1
1 0 0 1 0 1 1 0 0
0 1 0 0 0 0 0 1 0
0 0 0 0 1 0 0 0 1
0 0 0 1 0 0 1 1 0
0 1 0 0 0 0 0 0 0输出：38
由于SPFA算法本质上依然被认为是Bellman-Ford算法的一个特例，SPFA算法的最差复杂度依然被认为是\(O(VE)\)，其中\(E\)为边数，\(V\)为点数。该网格所抽象出的边数为\(4N^2\)，所抽象出的点数为\(N^2\)，所以算法最差时间复杂度\(O(N^4)\)，空间复杂度\(O(N^2)\)，N为方形网络地图宽度
-
Springboot应用的多环境打包入门11-23
-
Springboot应用的生产发布入门教程11-23
-
Python编程入门指南11-23
-
Java创业入门：从零开始的编程之旅11-23
-
Java创业入门：新手必读的Java编程与创业指南11-23
-
Java对接阿里云智能语音服务入门详解11-23
-
Java对接阿里云智能语音服务入门教程11-23
-
JAVA对接阿里云智能语音服务入门教程11-23
-
Java副业入门：初学者的简单教程11-23
-
JAVA副业入门：初学者的实战指南11-23
-
JAVA项目部署入门：新手必读指南11-23
-
Java项目部署入门：新手必看指南11-23
-
Java项目部署入门：新手必读指南11-23
-
Java项目开发入门：新手必读指南11-23
-
JAVA项目开发入门：从零开始的实用教程11-23
