【算法统治世界】动态规划 个人笔记总结

news2024/11/6 9:33:08

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这段时间刷了几十道dp感觉人都要刷傻了 光刷题不行 还是要思考和总结 这篇纯当个人笔记

目录

动态规划的本质

动态规划其实都能归结为有限状态自动机和有向无环图

动态规划如何破局?

使用的条件

如何做?

设计状态

确定状态转移方程

确定初始状态

动态规划的几大类 +例题讲解

1. 背包问题(Knapsack Problem)

例题:0-1背包问题

2. 最长公共子序列(Longest Common Subsequence, LCS)问题

例题:最长公共子序列

3. 最大子序列和问题(Maximum Subarray Problem)

例题:最大子序列和

4. 硬币找零问题(Coin Change Problem)

例题:硬币找零

5. 矩阵链乘法问题(Matrix Chain Multiplication Problem)

例题:矩阵链乘法

坑点

容易忽略“动态”

错在把一开始的那个a[1]就当做了接龙子序列的最长序列             但实则并不一定  或者说  错在没有理解“最少”的含义


动态规划的本质

动态规划其实都能归结为有限状态自动机和有向无环图

动态规划可以被视为一种有限状态自动机,其中每个状态代表了问题的一个子集,状态之间的转移代表了子问题之间的关联。在有向无环图(Directed Acyclic Graph,简称DAG)中,每个节点代表一个状态,而边则代表了状态之间的转移关系。通过这种方式,动态规划将问题转化为在一个DAG上寻找最优路径的问题。

动态规划如何破局?

动态规划的关键在于如何设计状态和状态转移方程,以及如何确定初始状态。以下是动态规划的一般步骤:

使用的条件

在应用动态规划之前,我们需要确保问题满足以下条件:

  1. 最优化原理:问题能够在其子问题的基础上构造出最优解。
  2. 重叠子问题:问题可以被分解为相互重叠的子问题,且子问题的解可以被重复使用。
  3. 有限状态数:状态的数量是有限的,且满足状态数*状态转移数<10^6的条件,以保证算法的可行性。

如何做?

设计状态

设计状态是动态规划中最为关键的一步。状态应该能够唯一地表示问题的某个阶段,同时包含所有必要的信息以决定下一步的行动。状态的设计需要根据具体问题的特点来进行,常见的状态表示方法包括:

  • 位置:在序列问题中,可以用位置来表示状态。
  • 剩余元素:在涉及选择的问题中,可以用剩余可选元素的数量来表示状态。
  • 部分结果:在需要构造结果的问题中,可以用已经得到的部分结果来表示状态。

确定状态转移方程

状态转移方程描述了状态之间的转移关系,它定义了如何从一个或多个状态得到新的状态。状态转移方程的设计需要满足最优化原理,确保能够从子问题的最优解得到原问题的最优解。 常见的状态转移方程类型包括:

  • 相加或相乘:当问题涉及到数值的累加或累乘时。
  • 选择:当问题需要在多个选项中选择一个最优的选项时。
  • 条件转移:当状态转移依赖于某些条件或属性时。

确定初始状态

初始状态是动态规划的起点,它通常代表了问题规模最小的情况下的状态。确定初始状态需要根据问题的具体背景和定义来进行。

动态规划的几大类 +例题讲解

1. 背包问题(Knapsack Problem)

背包问题是一种典型的组合优化问题,通常描述为有一个可以装载重量为W的背包和一组物品,每个物品有自己的重量和价值,目标是选择物品的组合,使得背包中物品的总重量不超过W,且总价值最大。

例题:0-1背包问题

描述:给定n个物品,每个物品有自己的重量w[i]和价值v[i],以及一个最大承重W的背包。求解如何选择物品放入背包,使得背包中物品的总价值最大。

解题思路:定义dp[i][j]为前i个物品中,能够装入容量为j的背包的最大价值。状态转移方程为:

 

dp[i][j] = max(dp[i-1][j], dp[i-1][j-w[i]] + v[i])

其中,dp[i-1][j]表示不选择第i个物品,而dp[i-1][j-w[i]] + v[i]表示选择第i个物品。

2. 最长公共子序列(Longest Common Subsequence, LCS)问题

LCS问题是一种经典的字符串匹配问题,通常描述为有两个字符串,求解这两个字符串的最长公共子序列的长度。

例题:最长公共子序列

描述:给定两个字符串s1s2,求解它们的最长公共子序列。

解题思路:定义dp[i][j]s1的前i个字符和s2的前j个字符的最长公共子序列的长度。状态转移方程为:

 

if s1[i-1] == s2[j-1] dp[i][j] = dp[i-1][j-1] + 1 else dp[i][j] = max(dp[i-1][j], dp[i][j-1])

其中,相等的情况表示找到了一个公共字符,不相等的情况则取两个方向的最大值。

3. 最大子序列和问题(Maximum Subarray Problem)

最大子序列和问题是一种数组优化问题,通常描述为给定一个整数数组,找到一个连续子数组,使得其和最大。

例题:最大子序列和

描述:给定一个整数数组nums,返回其中最大子序列的和。

解题思路:定义tempSum为当前子数组的和,maxSum为当前找到的最大子序列和。遍历数组,对于每个元素,更新tempSummaxSum

 

if tempSum < 0 tempSum = nums[i] else tempSum += nums[i] if tempSum > maxSum maxSum = tempSum

这种方法的时间复杂度为O(n)。

4. 硬币找零问题(Coin Change Problem)

硬币找零问题是一种货币找零问题,通常描述为给定不同面额的硬币和一个总金额,求解凑成总金额所需的最少硬币个数。

例题:硬币找零

描述:给定不同面额的硬币coins和一个总金额amount,返回凑成总金额所需的最少硬币个数。

解题思路:定义dp[i]为组合成金额i所需的最少硬币个数。状态转移方程为:

 

dp[i] = min(dp[i], dp[i-c] + 1),对于所有c属于coins

其中,dp[i-c] + 1表示使用面额为c的硬币凑成金额i。

5. 矩阵链乘法问题(Matrix Chain Multiplication Problem)

矩阵链乘法问题是一种动态规划在矩阵乘法中的应用问题,通常描述为给定一系列矩阵,求解将它们乘在一起的最小计算成本。

例题:矩阵链乘法

描述:给定一系列矩阵的维度p[1...n],其中p[i]表示第i个矩阵的行数和列数,求解按照哪种顺序乘这些矩阵,使得计算成本最小。

解题思路:定义dp[i][j]为计算矩阵链p[i...j]的最小成本。状态转移方程为:

 

dp[i][j] = min{dp[k][j] + dp[i][k-1] + p[i]*p[k]*p[j]》,对于所有i ≤ k < j

其中,dp[k][j]dp[i][k-1]表示分别计算矩阵链p[i...k]p[k+1...j]的成本,而p[i]*p[k]*p[j]是这两个链相乘时的计算成本。

坑点

容易忽略“动态”

把一个线性的状态作为“固定点” 一直延展 

就像这道 接龙数列:P9242 [蓝桥杯 2023 省 B] 接龙数列 - 洛谷 | 计算机科学教育新生态 (luogu.com.cn)

我一开始的错误

public class MyWrong {
    public static void main(String[] args) {
        Scanner in=new Scanner(System.in);
        int N=in.nextInt();
        long[] a=new long[N+1];
        long length =0;
        for (int i = 1; i <=N ; i++) {
            a[i]=in.nextInt();
            length++;
        }
        long ans=0;
        int now=getHead(a[1]);
        for (int i = 1; i <=N ; i++) {//错在把一开始的那个a[1]就当做了接龙子序列的最长序列
            // 但实则并不一定  或者说  错在没有理解“最少”的含义
            if (now==getHead(a[i])){
                ans++;
                now=(int)a[i]%10;
            }
        }
        System.out.println(length-ans);
    }
    static public int getHead(long l){
        while (l>=10){
            l/=10;
        }
        return (int)l;
    }
}

错在把一开始的那个a[1]就当做了接龙子序列的最长序列
             但实则并不一定  或者说  错在没有理解“最少”的含义

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