java算法day27

news2024/11/13 7:57:17

java算法day27

  • 动态规划初步总结
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  • 完全平方数

动态规划初步总结

如果你感觉某个问题有很多重叠子问题,使用动态规划是最有效的。
动态规划的过程就是每一个状态一定是由上一个状态推导出来的,这一点就区分于贪心了。贪心是“直接”从局部选最优的。

看到目前的各种教程,目前能看懂的动态规划思想总结就是:
这三步:
1、穷举法(暴力搜索)
2、记忆化搜索(剪枝)
3、改写成迭代形式。

目前我只能一步步的做题来体会动态规划。


509 斐波那契数列

目前就拿着上面总结的思想来做做题。

拿到这个题,我上来就想到了递归解法(这也对应着上面的第一点)。然后快速就交了,过了,但是超越百分之5。足以见得效率非常的低。

class Solution {
    public int fib(int n) {
        if(n == 0){
            return 0;
        }
        if(n == 1){
            return 1;
        }

        return fib(n-2) + fib(n-1);
    }
}

问题出在哪里,从递归树里就清楚了
在这里插入图片描述
从这个计算过程可以看到,存在着大量的重复计算。比如计算f(18)和f(19)的时候,都会计算f(17),而计算f(17)的过程又需要往下递归,意思说f(17)要算两次。往下那肯定存在更多的重复性计算。所以说这是需要优化的点。

如何优化,如何实现快速访问,这里我们可以想到哈希,下次我要计算之前,我先不着急递归,我先去hash里面看看有没有现成的,直接哪来用。那么按照这样的想法我们就可以创建一个哈希表,至于这个表是什么样的,可以根据题目来。

有时候可能还想不通,那这个hash里面的值是怎么记录下来的,那我只能说要把递归的过程想清楚。
通过上面的代码,算f(5) return f(4) + f(3) 。那么按程序执行顺序来说,肯定是先进f(4),然后一直往下走
比如f(4) return f(3) + f(2)
f(3) = f(2) + f(1)
然后f(2) = f(1)+f(0) 。可以见得,在不断下去的过程中,f(4),f(3),f(2),f(1),f(0)都会计算。所以说在这最左边的分支,其实就已经把别的分支那些重复的点全计算完了。所以hash就是在这里就完成了计算,怎么算?这个过程中程序要进行计算,hash表直接把这个结果也存到自己的哈希表里不就完事了。

从这个过程,再对上面的递归树做一个优化,你可以看到这样的变化。
在这里插入图片描述
是不是感觉2^n级别的复杂度立马变o(n)了。
在这里插入图片描述
带备忘录的写法如下:

class Solution {


    public int fib(int n) {
        if(n<1){
            return 0;
        }
        int[] memo = new int[31];

        return helper(n,memo);
    }


    int helper(int n,int[] memo){
        if(n == 1 || n == 2){
            return 1;
        }
        if(memo[n]!=0){
            return memo[n];
        }
        memo[n] = helper(n-1,memo)+helper(n-2,memo);
        return memo[n];
    }

    
}

这么这就是dp了吗?还不是!
这其实还是一个自顶向下的解法。

真正的dp是什么。真正的dp是自底向上,从最小的子问题开始,然后逐步构造最大的解,直到达到目标。

动态规划的本质:动态规划的核心是通过解决子问题来解决更大的问题,在斐波那契数的例子中,我们直到每个数都是前两个数的和。

所以这里可以总结出动态规划问题的真正含义了。
我先来说说动态规划是如何解决这个问题的,首先如果清楚子问题是什么样的,然后清楚子问题的初状态,那么我就能够直接从这个子问题出发,不断地进行状态运算,直到状态转移到最终结果。然后这个得到下一个状态的方法,就是所谓的状态转移方程。

所以这里可以总结一个结论:
也就是很多教程里面教的方法:
子问题的识别
正如你所说,清楚地识别子问题是关键。在斐波那契数列中,子问题就是计算每个 F(i)。

初始状态(基本情况)
这些是已知的最小子问题的解。在斐波那契数列中,F(0) = 0 和 F(1) = 1。

状态转移
这是从一个子问题到另一个子问题的过程。在斐波那契数列中,状态转移方程是 F(i) = F(i-1) + F(i-2)。

最终状态
这是我们最终要求解的问题。在斐波那契数列中,就是计算 F(n)。

从初始状态到最终状态
正如你所说,我们可以从初始状态开始,通过不断应用状态转移方程,最终达到我们想要的结果。

说的更直白一点:
也就是说,如果我在做题的过程中,搞清楚了什么是子问题,还有初始状态,知道下一个状态该如何正确计算。那么我就能从这个初始状态直接往后推,直到推出最后的正确答案。


然后就立马写出了这个题。感觉还是非常清楚的。
子问题怎么找? 这里我看网上一般是通过推广的办法,由f(n)来思考那么是要计算f(n-1)+f(n-2)。那么推广到i就是dp[i] = dp[i-1]+dp[i-2];所以子问题就是计算dp[i-1]和dp[i-2]。往最初的状态倒就是从dp[0] 和 dp[1]开始
状态转移方程是啥? 就是怎么计算下一个状态,这里状态转移方程就是dp[i] = dp[i-1]+dp[i-2]
最终状态怎么确定? 就是看dp要到哪停下来。这里就是算dp[n]

dp数组到底怎么初始化?这个我认为一是要根据问题,而是要根据数据的边界。即最大可能取到的状态来确定长度。

class Solution {
    public int fib(int n) {
        //快速特判
        if(n<2){
            return n;
        }

        int[] dp = new int[n+1];
        dp[0] = 0;
        dp[1] = 1;

        for(int i = 2;i<=n;i++){
            dp[i] = dp[i-1]+dp[i-2];
        }

        return dp[n];
    }
}

提交之后会发现,效率和备忘录那个写法的效率相同
因为这俩的计算纯粹是反过来的关系

然后还可以再进一步优化

是不是发现我们其实只要这个最后的dp[n],甚至感觉这个dp数组有点多余了。
确实是,我们其实就只需要不断的迭代更新后面两个数字 即 dp[i-1] 和 dp[i-2]
这个技巧就是所谓的状态压缩 空间复杂度直接优化为o1了。
怎么理解状态压缩的应用?就是想想原来的dp数组,有没有一些空间是不必要存储的。

所以这里还有一个究极版本。

class Solution {
    public int fib(int n) {
        if(n<2){
            return n;
        }

        int pre = 0;
        int cur = 1;
        for(int i = 2;i<=n;i++){
            //sum是下一个状态
            int sum = pre+cur;
            pre = cur;
            cur = sum;
        }
        return cur;

    }
}

零钱兑换

上面的斐波那契还体现不出dp。因为没有求最值问题,现在来看看这个题。
我第一想法就是一个大回溯直接爆搜。果不其然第32个例子直接超时。

接下来就只能看看题解了,用dp来做这个题。

这里得到第一个知识点:能用dp,首先要复合最优子结构,子问题间必须互相独立。
啥叫互相独立,就是子问题之间没有互相影响。
简单来说就是考试,你要拿最高分,比如一共两名,语文和数学。
要拿最高分就是数学考最高,语文考最高。这样就叫独立。
如果你数学考得高了,会导致你语文考不高,那就不叫独立。

所以要自己看看子问题之间有没有互相制约关系,是否相互独立

还有这个看待子问题的角度也非常重要。有时候你子问题找错了,那就可能做不出来了。
对于本题而言,子问题是这样拆分的,比如追求amont = 11(原问题),如果你知道凑出amont = 10的最少硬币数(子问题),那么只需要把子问题的答案(再选一枚面值为1的硬币),就是原问题的答案。还有这怎么看出子问题之间没有互相限制,因为硬币数量是没有限制的。


这里又纠正了我看待动态规划问题的思路了。一开始我是没理解倒这个问题中的独立。
1、动态规划的思考方向:
首先,动态理解是要自底向上思考的,而不是从amount=11开始往下想,我从大的开始想,那么我就会老是去想我最后一个面值为1了,那不是有可能对我前面的问题产生影响?
这里主要是方向想错了
2、子问题的定义:
对于金额i,子问题是凑出金额i所需的最少硬币数
3、独立性本质:
当我们说子问题是独立的,我们指的是,求解金额i的最优解,不依赖于如何求解i+1,i+2等更大的金额。(说白了还是方向看错了)。
4、为什么看起来不独立(我之前的思想):
因为我方向想反了。

现在来模拟这个问题
举例说明:
假设硬币面值为 [1, 2, 5],我们要凑出 11。

我们首先解决小额问题:1, 2, 3, 4, 5, …
当我们到达 11 时,我们考虑的是:
dp[11] = min(dp[10] + 1, dp[9] + 1, dp[6] + 1)
这里的 dp[10], dp[9], dp[6] 都已经是各自最优的解了
我们不是在考虑 “用1个1硬币然后解决10”,而是在比较 “10的最优解+1” 和其他可能性

独立性的证明:

如果 dp[10] 是最优的(假设是3个硬币),那么无论我们如何解决 11,都不会影响 10 的这个最优解。
即使我们选择了 “dp[9] + 1个2硬币” 作为 11 的最优解,这也不会改变 10 的最优解仍然是 3 个硬币这个事实。

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