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DynamicProgramming动态规划

DynamicProgramming动态规划

作者: LittleSasuke | 来源:发表于2018-04-22 23:27 被阅读21次

    Welcome To My Blog
    刚接触动态规划,突然发现这是个很大的领域,所以就先通过别人的分享以及做题逐步总结了.

    DynamicProgramming

    dynamic programming is a method for solving a complex problem by breaking it down into a collection of simpler subproblems, solving each of those subproblems just once, and storing their solutions
    维基百科说动态规划是解决复杂问题的方法,通过三点实现:

    1. 将原问题分解为简单的子问题(subproblem)
    2. 每个子问题只解决一次
    3. 存储每个子问题的解

    解题思路

    1. 将原问题分解为子问题
    2. 确定状态
      状态就是每个子问题所能取到的值,所有状态构成了状态空间
    3. 确定边界值(初始状态)
    4. 确定递推方程(状态转移方程)

    经验

    解题过程中的体会

    1. 对于当前下标对应的元素,选还是不选
    2. 从后向前分析,从边界(从前)开始向后实现
      • 实现时,使用递归时先写边界条件;使用数组时先写边界条件(或者说从边界开始推)
      • 使用时,输入最后一个索引
    3. 递归版本:各种情况下要return;循环版本:更新某个值而不是return了!

    例题

    1

    给定一串数字1,2,4,1,7,8,3,现从中取出某几个数字,使这些数字的和最大(不能取相邻的数字)

    1.png

    python

    #递归版,包含大量重叠子问题,换成循环版
    def rec_opt(arr,i):
        if i == 0: return arr[0]
        elif i == 1:return max(arr[0],arr[1])
        else:
            A = rec_opt(arr,i-2)+arr[i]
            B = rec_opt(arr,i-1)
            return max(A,B)
    arr = [1,2,4,1,7,8,3]
    print(rec_opt(arr,len(arr)-1))
    
    #循环版
    import numpy as np
    opt = np.zeros(len(arr))
    opt[0] = arr[0]
    opt[1] = max(opt[0],opt[1])
    for i in range(2,len(arr)):
        A = opt[i-2] + arr[i]
        B = opt[i-1]
        opt[i] = max(A,B)
    print(opt[len(arr)-1])
    

    java

    正好学习java中,附带java版本

    //递归版
    class Solution {
        public static int rec_opt(int[] arr,int index) {
            if(index==0) return arr[0];
            else if(index==1) return Math.max(arr[0],arr[1]);
            else {
                int A = rec_opt(arr,index-2)+arr[index];
                int B = rec_opt(arr,index-1);
                return Math.max(A,B);
            }
        }
        public static void main (String[] args){
       int[] arr = {1,2,4,1,7,8,3};
       int res = rec_opt(arr,arr.length-1);
       System.out.print(res);
        }
    }
    
    //循环版
    class Solution {
        public static void main (String[] args){
        int[] arr = {1,2,4,1,7,8,3};
        int[] opt  = new int[arr.length];
        //从边界开始向后实现
        opt[0] = arr[0];
        opt[1] = Math.max(arr[0],arr[1]);
        for (int i = 2; i<arr.length;i++){
            int A = opt[i-2] + arr[i];
            int B = opt[i-1];
            opt[i] = Math.max(A,B);
        }
        System.out.print(opt[arr.length-1]);
        }
    }
    

    2

    给定一串数字3,34,4,12,5,2,现从中取出某几个数字,使这些数字的和为S(S为某个整数,选出的数字不能是相邻的)


    2.png

    python

    #递归版
    def rec_okay(arr,i,S):
        if i==0:return arr[0]==S
        elif i==1:
            A = arr[1] == S
            B = arr[0] == S
            return A or B
        elif S==0: return True
        elif arr[i]>S: return rec_okay(arr,i-1,S)
        else:
            A = rec_okay(arr,i-2,S-arr[i])
            B = rec_okay(arr,i-1,S)
            return A or B
    arr = [3,34,4,12,5,2]
    print(rec_okay(arr,len(arr)-1,9))
    print(rec_okay(arr,len(arr)-1,10))
    
    #循环版
    #i是索引,j是当前结果s
    import numpy as np
    def okay(arr,S):
        okay = np.zeros((len(arr),S+1),dtype=bool)
        #从边界向后推,所以先给出边界情况
        okay[0,:] = False
        okay[0,arr[0]] = True
        okay[:,0] = True
        for i in range(2,len(arr)):
            for j in range(1,S+1):
                if i == 1:
                    okay[1,j] = (arr[1] == j) or (arr[0] == j)
                elif arr[i]>j:
                    okay[i,j] = okay[i-1,j]
                else:
                    A = okay[i-2,j-arr[i]]
                    B = okay[i-1,j]
                    okay[i,j] = A or B
        #从边界向后推,直至推导要求的位置    
        return okay[len(arr)-1,S]
    arr = [3,34,4,12,5,2]
    print(okay(arr,9))
    print(okay(arr,10))
    

    java

    //递归版
    class Solution {
        public static boolean rec_okay(int[] arr, int index, int sum) {
            if (index == 0) return arr[0] == sum;
            else if (index == 1) return (arr[1] == sum) || (arr[0] == sum);
            else if (sum == 0) return true;
            else if (arr[index] > sum) return rec_okay(arr, index - 1, sum);
            else {
                boolean A = rec_okay(arr, index - 2, sum - arr[index]);
                boolean B = rec_okay(arr, index - 1, sum);
                return A || B;
            }
        }
        public static void main(String[] args) {
            int[] arr = {3, 34, 4, 12, 5, 2};
            boolean res = rec_okay(arr, arr.length - 1, 9);
            System.out.println(res);
            boolean res2 = rec_okay(arr, arr.length - 1, 10);
            System.out.println(res2);
        }
    }
    
    //循环版
    class Solution {
        public static boolean okay(int[] arr,int sum) {
            boolean[][] okay = new boolean[arr.length][sum+1];
            for(int j = 0;j <= sum;j++) okay[0][j] = j == arr[0];
            for(int j = 0;j <= sum;j++) okay[1][j] = (arr[1] == j)|| (arr[0] == j);
            for(int i = 0; i < arr.length; i++) okay[i][0] = true;
            for(int i = 1; i<arr.length; i++){
                for(int j = 1; j<=sum; j++){
                    //如果当前的数字大于当前的结果,则只有一个选项:不能选当前数字
                    if(arr[i]>j)  okay[i][j] = okay[i-1][j];
                    else  okay[i][j] = okay[i-2][j-arr[i]] || okay[i-1][j];
                }
            }
            return okay[arr.length-1][sum];
        }
        public static void main(String[] args) {
            int[] arr = {3, 34, 4, 12, 5, 2};
            boolean res = okay(arr,  9);
            System.out.println(res);
            boolean res2 = okay(arr,10);
            System.out.println(res2);
        }
    }
    

    3

    3.png
    在上面的数字三角形中寻找一条从顶部到底边的路径,使得路径上所经过的数字之和最大。路径上的每一步都只能往左下或 右下走。只需要求出这个最大和即可,不必给出具体路径。
    4.png

    python

    #递归版
    import numpy as np
    def rec_opt(arr,i,j):
        if i==0:return arr[0,j]
        else: return max(rec_opt(arr,i-1,j),rec_opt(arr,i-1,j+1))+arr[i,j]
    arr = np.array([[4,5,2,6,5],[2,7,4,4,0],[8,1,0,0,0],[3,8,0,0,0],[7,0,0,0,0]])
    print(rec_opt(arr,4,0))
    
    #循环版
    import numpy as np
    arr = np.array([[4,5,2,6,5],[2,7,4,4,0],[8,1,0,0,0],[3,8,0,0,0],[7,0,0,0,0]])
    
    #第0行的值不变,从第一行开始调整
    for i in range(1,5):
        for j in range(0,5-i):
            arr[i,j] = max(arr[i-1,j],arr[i-1,j+1]) + arr[i,j]
    print (arr[4,0])
    

    java

    //递归版
    class Solution {
        public static int rec_opt(int[][] arr,int i, int j) {
            if (i == 0) return arr[0][j];
            else return Math.max(rec_opt(arr,i-1,j),rec_opt(arr,i-1,j+1)) + arr[i][j];
        }
        public static void main(String[] args) {
            int[][] arr = {{4,5,2,6,5},{2,7,4,4,0},{8,1,0,0,0},{3,8,0,0,0},{7,0,0,0,0}};
            int res = rec_opt(arr,4,0);
            System.out.println(res);
        }
    }
    
    //循环版
    class Solution {
        public static void main(String[] args) {
            int[][] arr = {{4,5,2,6,5},{2,7,4,4,0},{8,1,0,0,0},{3,8,0,0,0},{7,0,0,0,0}};
            //第0行不变,从第1行开始调整
            for(int i = 1; i < 5; i++)
                for(int j = 0; j < 5 - i; j++){
                    arr[i][j] = Math.max(arr[i-1][j],arr[i-1][j+1]) + arr[i][j];
                }
            System.out.println(arr[4][0]);
        }
    }
    

    参考:
    正月点灯笼
    教你彻底学会动态规划——入门篇

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