動態規劃解最長公共子序列

最長公共子序列 LCS

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:


recursive formula

回溯輸出最長公共子序列過程:

flow

 

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;
}

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