經常會遇到複雜問題不能簡單地分解成幾個子問題,而會分解出一系列的子問題。簡單地採用把大問題分解成子問題,並綜合子問題的解導出大問題的解的方法,問題求解耗時會按問題規模呈冪級數增加。
爲了節約重複求相同子問題的時間,引入一個數組,不管它們是否對最終解有用,把所有子問題的解存於該數組中,這就是動態規劃法所採用的基本方法。
【問題】 求兩字符序列的最長公共字符子序列
問題描述:字符序列的子序列是指從給定字符序列中隨意地(不一定連續)去掉若干個字符(可能一個也不去掉)後所形成的字符序列。令給定的字符序列X=“x0,x1,…,xm-1”,序列Y=“y0,y1,…,yk-1”是X的子序列,存在X的一個嚴格遞增下標序列<i0,i1,…,ik-1>,使得對所有的j=0,1,…,k-1,有xij=yj。例如,X=“ABCBDAB”,Y=“BCDB”是X的一個子序列。
思路:
考慮最長公共子序列問題如何分解成子問題,設A=“a0,a1,…,am-1”,B=“b0,b1,…,bm-1”,並Z=“z0,z1,…,zk-1”爲它們的最長公共子序列。不難證明有以下性質:
(1) 如果am-1=bn-1,則zk-1=am-1=bn-1,且“z0,z1,…,zk-2”是“a0,a1,…,am-2”和“b0,b1,…,bn-2”的一個最長公共子序列;
(2) 如果am-1!=bn-1,則若zk-1!=am-1,蘊涵“z0,z1,…,zk-1”是“a0,a1,…,am-2”和“b0,b1,…,bn-1”的一個最長公共子序列;
(3) 如果am-1!=bn-1,則若zk-1!=bn-1,蘊涵“z0,z1,…,zk-1”是“a0,a1,…,am-1”和“b0,b1,…,bn-2”的一個最長公共子序列。
這樣,在找A和B的公共子序列時,如有am-1=bn-1,則進一步解決一個子問題,找“a0,a1,…,am-2”和“b0,b1,…,bm-2”的一個最長公共子序列;如果am-1!=bn-1,則要解決兩個子問題,找出“a0,a1,…,am-2”和“b0,b1,…,bn-1”的一個最長公共子序列和找出“a0,a1,…,am-1”和“b0,b1,…,bn-2”的一個最長公共子序列,再取兩者中較長者作爲A和B的最長公共子序列。
求解:
引進一個二維數組c[][],用c[i][j]記錄X[i]與Y[j] 的LCS 的長度,b[i][j]記錄c[i][j]是通過哪一個子問題的值求得的,以決定搜索的方向。
我們是自底向上進行遞推計算,那麼在計算c[i,j]之前,c[i-1][j-1],c[i-1][j]與c[i][j-1]均已計算出來。此時我們根據X[i] = Y[j]還是X[i] != Y[j],就可以計算出c[i][j]。
問題的遞歸式寫成:
回溯輸出最長公共子序列過程:
算法分析:
由於每次調用至少向上或向左(或向上向左同時)移動一步,故最多調用(m + n)次就會遇到i = 0或j = 0的情況,此時開始返回。返回時與遞歸調用時方向相反,步數相同,故算法時間複雜度爲Θ(m + n)。
具體代碼如下:
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
#define MaxN 100
int b[MaxN][MaxN]; //記錄路徑
//標記函數:b[i][j], 其值爲0、1、-1
//分別表示c[i,j]取得最大值時的三種情況
int c[MaxN][MaxN]; //保存已走步數
void LCSLength(string x, string y){
int i, j;
for (i = 0;i <= x.length();i++)
c[i][0] = 0; //第一行標記爲0
for (j = 0;j <= y.length();j++)
c[0][j] = 0; //第一列標記爲0
for (i = 1;i <= x.length();i++)
for (j = 1;j <= y.length();j++)
{
if (x[i-1]==y[j-1])
{
c[i][j] = c[i-1][j-1] + 1;
b[i][j] = 0;
}
else if (c[i-1][j] >= c[i][j-1]){
c[i][j] = c[i - 1][j];
b[i][j] = 1;
}
else {
c[i][j] = c[i][j-1];
b[i][j] = -1;
}
}
}
void PrintLCS(string x, int b[][MaxN], int i, int j) {
if (i == 0 || j == 0)
return;
if (b[i][j] == 0)
{
PrintLCS(x, b, i - 1, j - 1);
cout << x[i - 1];
}
else if (b[i][j] == 1)
PrintLCS(x, b, i - 1,j);
else
PrintLCS(x, b, i , j - 1);
}
int main()
{
string x = "ABCBDAB" ;
string y = "BDCABA";
int m = x.length();
int n = y.length();
LCSLength(x,y);
PrintLCS(x, b, m, n);
cout << endl;
}