1.最长公共子序列
2.最长公共子串
3.最长回文串
4.最长回文序列
5.最长递增序列
6.最长先增后减序列
7.(最短)编辑距离
8.子串匹配问题
9.通配符问题
1.最长公共子序列(longest common subsequence, LCS)
动态规划解法
dp[i][j]表示字符串a的前i长度的子串a'
,和b的前j个长度子串的b'
的最长公共序列的长度
状态转移方程
func LCS(a string, b string) int {
dp := make([][]int, len(a)+1)
for i, _ := range dp {
dp[i] = make([]int, len(b)+1)
if i == 0 {
continue
}
for j, _ := range dp[i] {
if j == 0 {
continue
}
if a[i-1] == b[j-1] {
dp[i][j] = dp[i-1][j-1] + 1
} else {
dp[i][j] = dp[i-1][j]
if dp[i][j-1] > dp[i][j] {
dp[i][j] = dp[i][j-1]
}
}
}
}
return dp[len(a)][len(b)]
}
复杂度:
T = O(mn)
S = O(mn)
2.最长公共子串(longest common substring)
动态规划解法
记a[0:i]
为a前i个长度的子串,b[0:j]
为b前j个长度的子串
dp[i][j]
表示a[0:i]
和b[0:j]
的以二者最后一个字符结尾的最长公共子串的长度
比如a是god
,b是goods
,dp[3][4]
就是2(od
的长度),dp[3][5]
就是0
转移方程
func LCSubstring(a string, b string) int {
dp := make([][]int, len(a)+1)
max := 0
for i, _ := range dp {
dp[i] = make([]int, len(b)+1)
if i == 0 {
continue
}
for j, _ := range dp[i] {
if j == 0 {
continue
}
if a[i-1] == b[j-1] {
dp[i][j] = dp[i-1][j-1] + 1
} else {
dp[i][j] = 0
}
if dp[i][j] > max {
max = dp[i][j]
}
}
}
return max
}
暴力解
遍历a,依次与b的所有字符比较,如果a[i]==b[j],再比较a中a[i]开头和b中b[j]开头的子串。
func LCSubstring(a string, b string) int {
max := 0
for i, _ := range a {
for j, _ := range b {
if a[i] != b[j] {
continue
}
for k := i + 1; k < len(a); k++ {
for l := j + 1; l < len(b); l++ {
if a[i:k+1] == b[j:l+1] && k+1-i > max {
max = k + 1 - i
}
}
}
}
}
return max
}
最坏复杂度
广义后缀数解
// 留坑
3.最长回文串
暴力解
遍历每个字符串
以当前字符a[i]为中心,向两边探测是否两侧字符是否相同
以当前字符a[i]、a[i+1]为中心,向两边探测是否两侧字符是否相同
func LPSubstring(a string) int {
max := 0
for i := 0; i < len(a); i++ {
j := 1
for ; i+j < len(a) && i-j >= 0 && a[i+j] == a[i-j]; j++ {
}
if 2*j-1 > max {
max = 2*j - 1
}
if i < len(a)-1 && a[i] == a[i+1] {
k := 1
for ; i+1+k < len(a) && i-k >= 0 && a[i+1+k] == a[i-k]; k++ {
}
if 2*k > max {
max = 2 * k
}
}
}
return max
}
时空复杂度
时间复杂度,最坏情况是整个字符串都由一个字符组成,每个字符都要向两侧探测到底。
T_worse = O(n^2)
S = O(1)
动态规划解
长度为1的子串,肯定是回文串
长度为2的子串,如果两字符相同,则是回文串
长度超过2的子串,如果首位字符相同,且首位之间也是回文串,则是回文串
设dp[i][j]表示起点为a[i],终点为a[j]的子串是否为回文串
转移方程
当子串长度大于2时要依赖前面求解过的结果
试着推一下。假设有字符串abcdcf
:
i=0,j=0,长度为1,true
i=0,j=1,长度为2,false
i=0,j=2,长度为3,需要判断a
和c
是否相同,如果相同,要依赖a[1][1]
,但是a[1][1]
不知道
所以i
递增,j
递增这个顺序推不行
换个方向:i
递增,j
递减
i=0,j=5,依赖a[1][4]
,a[1][4]
结果还没有出来,所以也不行
再换个方向:i
递减,j
递增
i=5,j=5,长度为1,无依赖
i=4,j=4,长度为1,无依赖
i=4,j=5,长度为2,无依赖
i=3,j=3,长度为1,无依赖
i=3,j=4,长度为2,无依赖
i=3,j=5,长度为3,依赖a[4][4]
,a[4][4]
已经出来了,a[3][5]
可以推出
所以i
递减,j
递增这个方向推是可行的
func LPSubstring(a string) int {
dp := make([][]bool, len(a))
max := 0
for i := len(dp) - 1; i >= 0; i-- {
dp[i] = make([]bool, len(a))
for j := i; j < len(dp[i]); j++ {
// 长度为1的子串肯定是回文串
if j == i {
dp[i][j] = true
continue
}
// 长度为2的子串,俩字符相同即为回文串
if j == i+1 {
dp[i][j] = a[i] == a[j]
continue
}
// 长度超过2的子串,俩字符相同且二者之间满足回文,则为回文串
dp[i][j] = a[i] == a[j] && dp[i+1][j-1]
if dp[i][j] && j-i+1 > max {
max = j - i + 1
}
}
}
return max
}
复杂度
T(n) = O(n^2)
S(n) = O(n^2)
原串倒序+求解最长公共子串
将原来的字符串倒序,再求倒序串和原串的最长公共子串。如原串abadcf,倒序成fcdaba,求二者的最长公共子串。
马拉车算法(Manacher Algorithm)
该算法也是动态规划。
先假设存在的所有回文子串的长度都是奇数,所以对称中心是一个元素。
dp[i]
表示以a[i]
为对称中心的最长回文串的长度
用c
、r
分别表示目前发现的右边界最靠右的回文串的对称中心的位置,右边界的位置
初始c=0
, r = 0
遍历原串,当前位置i一定满足i>=c,如果i<r,说明i处在一个对称的子串中
i
关于c
的对称点为i'
,以i'
为中心的最长回文串的左边界 Li'
如果
Li'
> r'
,dp[i]
= dp[i']
如果
Li'
<= r'
,则说明dp[i]
至少 >=r,然后以i为中心,r-i+1
为起点距离向两边探测,如果发现在i
串的右边界r
之外,则更新c
和r
。这样利用对称性就避免了从距离1开始向两侧探测。
如果i
=r
,没有捷径可走了,只能以i
为中心点向外探测,探测完成后更新c
和r
如果i
>r
,只能以i
为中心点向外探测,探测完成后更新c
和r
预处理原串,插入n+1个分割字符,将abadcf
处理成_a_b_a_d_c_f_
现在所有的回文串长度都是奇数了,如a
,_a_
func Manacher(a string) int {
b := "_"
for _, n := range a {
b += string(n) + "_"
}
c := 0
r := 0
max := 0
dp := make([]int, len(b))
for i, _ := range dp {
if i < r {
i2 := 2*c - i // i的对称点
if i+(dp[i2]-1)/2 < r {
dp[i] = dp[i2]
} else {
j := r - i + 1
for ; i+j < len(b) && i-j >= 0 && b[i+j] == b[i-j]; j++ {
}
if i+j-1 > r {
r = i + j - 1
c = i
}
dp[i] = 2*j - 1
if dp[i] > max {
max = dp[i]
}
}
continue
}
j := 1
for ; i+j < len(b) && i-j >= 0 && b[i+j] == b[i-j]; j++ {
}
if i+j-1 > r {
r = i + j - 1
c = i
}
dp[i] = 2*j - 1
if dp[i] > max {
max = dp[i]
}
}
return (max - 1) / 2
}
复杂度
T(n) = O(2n) = O(n) // 确定每个dp[i]需要O(n),r从0增长到n-1也需要O(n)
S(n) = O(n)
4.最长回文序列
暴力解
有个子序列,检测其是否回文为序列,然后记录下最长的,所以暴力解基本不行。
原串倒序+求解原串和倒序串的最长公共子序列
动态规划解
设dp[i][j]
表示子串以i
为起点,j
为终点的子串的最长回文序列。
转移方程:
dp[i+1][j-1]
表示的是i~j
之间的子串的最优值,也就是去掉头尾i
、j
。应该注意判断子串的有效性,如i==j时,[i+1][j-1]
这样的子串是不存在的。所以细化一下状态方程可以写成这样:
同样需要i
逆推,j
正推
func LPS(a string) int {
dp := make([][]int, len(a))
for i := len(dp) - 1; i >= 0; i-- {
dp[i] = make([]int, len(a))
for j := i; j < len(a); j++ {
if j == i {
dp[i][j] = 1
continue
}
if j == i+1 {
if a[i] == a[j] {
dp[i][j] = 2
} else {
dp[i][j] = 0
}
continue
}
if a[i] == a[j] {
dp[i][j] = dp[i+1][j-1] + 2
} else {
max := dp[i][j-1]
if dp[i+1][j] > max {
max = dp[i+1][j]
}
dp[i][j] = max
}
}
}
return dp[0][len(a)-1]
}
复杂度
T(n) = O(n^2)
S(n) = O(n^2)
5.最长递增序列
动态规划解
设dp[i]表示以i结尾的递增子序列的长度。
求取dp[i]
:
- 首先
dp[i]
肯定至少为1
- 遍历
0
~i-1
的元素,如果其中一个元素a[j]
的取值小于a[i]
,那a[j]+1
就是a[j]
的一个可能的取值,求出这些可能中的最大值即可
转移方程:
func LongestIncreaseSequence(arr []int) int {
dp := make([]int, len(arr))
dp[0] = 1
for i := 1; i < len(arr); i++ {
dp[i] = dp[i-1]
for j := 0; j < i; j++ {
if arr[j] < arr[i] && dp[j]+1 > dp[i] {
dp[i] = dp[j] + 1
}
}
}
return dp[len(arr)-1]
}
复杂度
T(n) = O(n^2)
S(n) = O(n)
二分查找
比如输入序列为arr := []int{1,5,2,3,9}
弄一个辅助数组a
,初始值是输入序列的第一项
然后从index=1
开始遍历arr
,当前值为v
, a
的最后一项记作a.tail
- 如果
v
>a.tail
,则将v
添加到a
后面,成为a
的最后一项 - 如果
v
<=a.tail
,则利用二分查找定位到a
中第一个大于v的元素k
,用v
替换k
最终a
的长度就是最长序列的长度。这很好理解,a
就是被最长序列拓宽的。
func LongestIncreaseSequence(arr []int) int {
b := []int{arr[0]}
for i := 1; i < len(arr); i++ {
if arr[i] > b[len(b)-1] {
b = append(b, arr[i])
} else if arr[i] < b[len(b)-1] {
k := binarySearch(b, arr[i])
b[k] = arr[i]
}
}
return len(b)
}
func binarySearch(b []int, v int) int {
// 找出切片b中,第一个大于v的元素的位置
left := 0
right := len(b) - 1
for right > left {
mid := (left + right) / 2
if b[mid] < v {
left = mid + 1
} else {
right = mid
}
}
if b[left] < v {
return -1 // 没有找到
}
return left
}
复杂度
T(n) = O(nlogn)
S(n) = O(n)
6.最长先增后减序列
只要这个序列满足先递增,后递减就行,不要求中心点两边的数量一样多
先求递增+再求递减
先求出以i
结尾的递增序列长度,在求出以i
为起点的递减序列长度,两个长度之和-1,就是以i
为最高点的序列的先增后减序列的长度。
7.(最短)编辑距离
Levenshtein 距离,又称编辑距离,指的是两个字符串之间,由一个转换成另一个所需的最少编辑操作次数。许可的编辑操作包括将一个字符替换成另一个字符,插入一个字符,删除一个字符。编辑距离的算法是首先由俄国科学家 Levenshtein 提出的,故又叫 Levenshtein Distance 。
例如:
字符串A: abcdefg
字符串B: abcdef
通过增加或是删掉字符 ”g” 的方式达到目的。这两种方案都需要一次操作。把这个操作所需要的次数定义为两个字符串的距离。
要求:
给定任意两个字符串,写出一个算法计算它们的编辑距离
动态规划解
设有字符串A
、B
A[0:i]
表示A的 [0,i) 这个区间组成的字符串
设dp[i][j]
表示A[0:i]
和字符串B[0:j]
(最短)编辑距离,如dp[1][1]
表示a
的首字符编辑成b
的首字符
- 当两个子串的末字符相同时,
dp[i][j] = dp[i-1][j-1]
可以用反正法证明一下:
假设dp[i][j]
不等于dp[i-1][j-1]
也就是A[0:i]
和B[0:j]
存在比dp[i-1][j-1]
更优的解K
,K
<dp[i-1][j-1]
也就是经过K次编辑A[0:i]
和B[0:j]
相同,此时A[0:i-1]
和B[0:j-1]
也相同
也就是A[0:i-1]
和B[0:j-1]
也存在更优解K
<dp[i-1][j-1]
与题设dp[i-1][j-1]
为A[0:i-1]
和B[0:j-1]
的最优解矛盾
-
当两个子串的末字符不相同时
微信图片_20220930174240.jpg
A→B有几种可能:
A'→B',然后a→b
A'+a → B',然后后面补充一个b
A'→B'+b,然后删除末尾的a
此时最优值在三种情况中取最小
func MinEditDistance(a string, b string) int {
dp := make([][]int, len(a)+1)
for i, _ := range dp {
dp[i] = make([]int, len(b)+1)
for j, _ := range dp[i] {
if i == 0 {
dp[i][j] = j
continue
}
if j == 0 {
dp[i][j] = i
continue
}
if a[i-1] == b[j-1] {
dp[i][j] = dp[i-1][j-1]
} else {
min := dp[i-1][j-1] + 1
if dp[i][j-1]+1 < min {
min = dp[i][j-1] + 1
}
if dp[i-1][j]+1 < min {
min = dp[i-1][j] + 1
}
dp[i][j] = min
}
}
}
return dp[len(a)][len(b)]
}
复杂度
T(n) = O(m*n)
S(n) = O(m*n)
8.子串匹配问题
在主串中寻找子串,如在主串s = "abcde"
中寻找子串sub = "ab"
,如果找到,返回首次出现位置,如果不存在,返回-1
暴力解:
指针i
遍历主串,j
遍历子串,当失配时,从i+1
开始令j=0
重新比较
func SearchSubstring(s string, sub string) int {
i := 0
j := 0
for i < len(s) && j < len(sub) {
if s[i] == sub[j] {
i++
j++
} else {
i = i + 1
j = 0
}
}
if j == len(sub) {
return i - len(sub)
}
return -1
}
最坏复杂度,每次都要比较到子串的最后一个字符才发现不匹配,如aaaaaaaaab,aaab。
T_worse = O((n-m+1)*m) = O((n-m)*m)
KMP算法(Knuth-Morris-Pratt Algorithm)
再看一下暴力破解过程,假如主串指针走到i
、子串指针走到j
时,发生了失配,然后就从i
的下一个位置(即i+1
)开始,把子串从头到尾重新比较。
主串: | ? | ? | ? | ? | ? | ?
| ? | ? | ? | ? | ? |...
子串: | a | b | c | a | b | ?
|...
假设当 j = 5 时出现失配,说明j前面的部分是和主串吻合的
主串: | a | b | c | a | b | ?
| ? | ? | ? | ? | ? |...
子串: | a | b | c | a | b | ?
|...
按照暴力算法是从主串当前起始点的下一位开始从头比较
主串: | a | b
| c | a | b | ? | ? | ? | ? | ? | ? |...
子串: ----| a
| b | c | a | b | ? |...
上帝视角可以发现,i+1
这个位置根本不用比较,因为此时的第一位b
和a
就对不上,同样i+2
这个位置也不用,因为c
和a
也是第一位就对不上。只有走到i+3
,才有可能匹配。
主串: | a | b | c | a
| b
| ? | ? | ? | ? | ? | ? |...
子串: ------------| a
| b
| c | a | b | ? |...
这就是kmp的特点,主串指针i
不用回头,将子串指针j
回头到某个位置即可。(此时前两位a=a,b=b是确定的,所以j
也不用直接回到0。)
当j
在某个位置发生失配,需要知道j
的下一跳应该跳到哪个位置继续,假设这个信息存在一个叫next
的表中,并且我们已经得到了next
表。此时程序应该这么写:
func KMP(a string, b string) (allMatches []int) {
i := 0
j := 0
next := buildNext(b)
for i < len(a) {
if j == len(b) {
allMatches = append(allMatches, i-len(b))
j = 0
}
if a[i] == b[j] {
i++
j++
} else {
if j == 0 { // 如果在子串首字符就失配,应将主串指针右移,子串指针不变
i++
} else {
j = next[j]
}
}
}
return
}
重点是如何构造next表
主串: | a | b | - | a
| b
| ? |...
子串: | a
| b
| - | a | b | ? |...
主串: | a | b | c | - | - | - |a
|b
| c
| ? |...
子串: | a
|b
| c
| - | - | - | a | b | c | ? |...
主串: | a | b | c | - | - | - | - | - |a
|b
| c
| ? |...
子串: | a
|b
| c
| - | - | - | - | - | a | b | c | ? |...
只要把前面标红的一截和后面标红的一截对齐,这段标红的区域叫做最长公共前后缀
,j
从红色区域的下一个字符开始比较。
字符串s的前缀的定义是:起点为0,终点在最后一个字符前的子串。比如abc的前缀有两个a、ab,类似地,后缀有c、bc。一个前缀和一个后缀相同,这就是一个
公共前后缀
。比如abcab
的最长公共前后缀
是ab
。
next[j]
是在j
失配时的下一跳位置,也是sub[0:j]
的最长公共前后缀长度。比如由sub="abcde"
构建的next表,next[2]
表示在c
发生失配时的下一跳,也表示ab
的最长公共前后缀长度。所以有些编码中也把next table
叫prefix table
。
假如sub="aaacd"
,要求解的内容是:
next[1] 表j=1
失配时的下一跳,也是a
的最长公共前后缀,0
next[2] 表j=2
失配时的下一跳,也是aa
的最长公共前后缀,1
next[3] 表j=3
失配时的下一跳,也是aaa
的最长公共前后缀,2
next[4] 表j=4
失配时的下一跳,也是aaac
的最长公共前后缀,0
构造next表不需要暴力解,可以递推出来。
首先next[1]
肯定是0
,当next[k]
已经求解出来后,直接比较最长公共前后缀的下一字符是否相同,如果相同,那就可以构成一个更长的公共前后缀。所以next[k+1]
= next[k]+1
。就像下面的两个问号代表的内容如果相同,就可以形成长度为3公共前后缀。
| a | b | ?
| ... | a | b | ?
|...
如果不同的话,说明无法构成一个更长的公共前后缀,就要尝试是否能构成更短的。
如下,因为e和b不同,所以无法形成长度为5的公共前后缀
| a | b | c | a | e
| ... | a | b | c | a | b
|
|-----(1)-----|-------|-----(2)-----|
于是可以在(2)寻找一个后缀,使得它等于(1)一个前缀,然后验证此时是否能为末尾的b
找到相同的元素。因为(1)和(2)是相同的,所以相当于在(1)中找最大公共前后缀,直接读取next[4]
就知道了,此时next[4]
值为1,所以问题又回到了上面的比较公共前后缀的下一字符是否相同。
- 如果相同,最长公共前后缀+1
- 如果不同,继续在后缀中找更小的后缀,比较下一字符是否相同...
- 直到末字符匹配上了或者找到的next[x]是0
func buildNext(sub string) []int {
next := make([]int, len(sub))
for i := 2; i < len(sub); i++ {
l := next[i-1]
for l != 0 && sub[l] != sub[i-1] {
l = next[l]
}
if sub[l] == sub[i-1] {
next[i] = l + 1
} else {
next[i] = 0
}
}
return next
}
构造next表可以看成在sub中,从i=1开始从搜索自己的前缀
func buildNext2(sub string) []int {
next := make([]int, len(sub))
i := 1
j := 0
for i < len(sub)-1 {
if sub[i] == sub[j] {
next[i+1] = j + 1
i++
j++
continue
}
if j == 0 {
next[i+1] = 0
i++
} else {
j = next[j]
}
}
fmt.Println(next)
return next
}
9.字符串通配符
定义:
?
匹配一个字符
*
匹配任意多个字符,可以为0个,同样
能被*和?匹配的字符仅由英文字母和数字0到9组成
给出一个字符串s
,一个通配符表达式p
,请判断这个字符串是否完全匹配这个通配符。
比如abb匹配a*b,abc不匹配a*b。
动态规划解
dp[i][j]表示s[0:i]是否匹配p[0:j],0<= i <= len(s),0<= j <= len(p)
递推关系:
如果p[j-1]是个普通字符:
- s[i-1]和p[j-1]相同,并且dp[i-1][j-1]为true,则dp[i][j]为true
- 否则false
如果p[j-1]是"?"
- s[i-1]为字母或数字,并且dp[i-1][j-1]为true,则dp[i][j]为true
- 否则false
如果p[j-1]是"*"
,有两种情况可以判定dp[i][j]为true,其余则为false
-
当dp[i-1][j]为true时,并且最后这个字符是数字或字母。
(也就是因为ab*
可以匹配abc
,所以它也能匹配abcd
,abcde
...) -
如果dp[i][j-1]为true,此时
"*"
可以解读为空字符,所以为true,如ab
和ab*
func IsMatch(p string, s string) bool {
dp := make([][]bool, len(s)+1)
// dp[i][j]表示s的前i个字符和模式p的前j个字符是否匹配
for i, _ := range dp {
dp[i] = make([]bool, len(p)+1)
for j, _ := range dp[i] {
if i == 0 {
if j == 0 {
dp[i][j] = true
} else {
if p[j-1] == '*' {
dp[i][j] = dp[i][j-1]
} else {
dp[i][j] = false
}
}
continue
}
if j == 0 {
dp[i][j] = false
continue
}
pj := p[j-1]
si := s[i-1]
if pj == '?' {
dp[i][j] = dp[i-1][j-1] && (isLetter(si) || isNumber(si))
continue
}
if pj == '*' {
dp[i][j] = (dp[i-1][j] && (isLetter(si) || isNumber(si))) || dp[i][j-1]
continue
}
dp[i][j] = dp[i-1][j-1] && lower(pj) == lower(si)
}
}
return dp[len(s)][len(p)]
}
func isLetter(n byte) bool {
return (n >= 'a' && n <= 'z') || (n >= 'A' && n <= 'Z')
}
func isNumber(n byte) bool {
return n >= '0' && n <= '9'
}
func lower(n byte) string {
return strings.ToLower(string(n))
}
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