LCS最大公共子序列问题

在生物应用中，经常需要比较两个（或多个）不同生物体的DNA，

例如：某种生物的DNA可能为S1=ACCGGTCGAGTGCGCGGAAGCCGGCCGAA，

另一种生物的DNA可能为S2=GTCGTTCGGAATGCCGTTGCTCTGTAAA

我们比较两个DNA串的一个原因是希望确定它们的相似度，作为度量两种生物的近似程度指标

寻找第三个串S3，它所有碱基也都出现在S1和S2中，且三个串中的顺序都相同，但在S1和S2中不要求连续出现。

可以找到的S3越长，就可以认为S1和S2的相似度越高。在这个例子中最长的S3为GTCGTCGGAAGCCGGCCGAA

我们定义C[i, j]表示Xi和Yj的LCS长度。如果i = 0或j = 0，即一个序列长度为0，那么LCS的长度为0

根据LCS问题的最优子结构性质，可得如下公式：

C[i, j] = 0，若i = 0 或 j = 0

C[i, j] = C[i - 1, j - 1] + 1，若i，j > 0 且 Xi = Yj

C[i, j] = max(C[i, j - 1], C[i - 1, j]) ，若i, j > 0且Xi != Yj

代码如下:

package 动态规划;

/**
 * Lcs即最长公共子序列问题(longest common subsequence problem)
 * @author wangdong20
 *
 */
public class Lcs {
	public static final int empty = 0;
	public static final int upLeft = 1;
	public static final int up = 2;
	public static final int left = 3;
	
	public static int[][][] lcsLength(String x, String y){
		int m = x.length();
		int n = y.length();
		int[][][] result = new int[2][m + 1][n + 1];  // result[0]表示子序列长度 result[1]表示LCS矩阵方向
		
		for(int i = 0; i < m + 1; i++){
			result[0][i][0] = 0;
			result[1][i][0] = empty;
		}
		
		for(int j = 0; j < n + 1; j++){
			result[0][0][j] = 0;
			result[1][0][j] = empty;
		}
		
		for(int i = 1; i <= m; i++){
			for(int j = 1; j <= n; j++){
				if(x.charAt(i - 1) == y.charAt(j - 1)){
					result[0][i][j] = result[0][i - 1][j - 1] + 1;
					result[1][i][j] = upLeft;
				}
				else if(result[0][i - 1][j] >= result[0][i][j - 1]){
					result[0][i][j] = result[0][i - 1][j];
					result[1][i][j] = up;
				}
				else{
					result[0][i][j] = result[0][i][j - 1];
					result[1][i][j] = left;
				}
			}
		}
		
		return result;
	}
	
	public static void printLcs(int[][][] b, String x, int i, int j){
		if(i == 0 || j == 0)
			return;
		if(b[1][i][j] == upLeft){
			printLcs(b, x, i - 1, j - 1);
			System.out.print(x.charAt(i - 1));
		}
		else if(b[1][i][j] == up){
			printLcs(b, x, i - 1, j);
		}
		else{
			printLcs(b, x, i, j - 1);
		}
	}

	/**
	 * @param args
	 */
	public static void main(String[] args) {
		// TODO 自动生成方法存根
		String s1 = "ACCGGTCGAGTGCGCGGAAGCCGGCCGAA";
		String s2 = "GTCGTTCGGAATGCCGTTGCTCTGTAAA";
		String s3 = "amputation";
		String s4 = "spanking";
		
		System.out.println("s1: " + s1);
		System.out.println("s2: " + s2);
		System.out.println("最长公共子序列: ");
		
		int result[][][] = lcsLength(s1, s2);
		printLcs(result, s1, s1.length(), s2.length());
		
		System.out.println("
s3: " + s3);
		System.out.println("s4: " + s4);
		System.out.println("最长公共子序列: ");
		
		int result2[][][] = lcsLength(s3, s4);
		printLcs(result2, s3, s3.length(), s4.length());
	}

}

实质上lcsLength(s3, s4)返回的是两个二维数组组成的三维数组

代码中result[0][i][j]保存的是图中显示的到字符串Xi, Yj目前的LCS长度

result[1][i][j]保存的是图中显示的字符串Xi, Yj的指引方向关系

得到这幅图我们就可以从中得出表b[m, n]

为了得出最后的LCS字符串，只需要从b[m, n]开始，按照箭头方向追踪下去即可。

当b[i, j]遇到upLeft左上时，意味着Xi = Yj是LCS的一个元素.

按照这种方法可以逆序依次构造出LCS的所有元素

public static void printLcs(int[][][] b, String x, int i, int j){
		if(i == 0 || j == 0)
			return;
		if(b[1][i][j] == upLeft){
			printLcs(b, x, i - 1, j - 1);
			System.out.print(x.charAt(i - 1));
		}
		else if(b[1][i][j] == up){
			printLcs(b, x, i - 1, j);
		}
		else{
			printLcs(b, x, i, j - 1);
		}
	}

最后运行结果：