【数据结构与算法】 DP 动态规划 介绍
原创 2017年02月13日 00:42:51
最近在看算法导论。
DP全称是dynamic programming，这里programming不是编程，是一个表格保存之前的结果。
DP 是一种编程思想，主要用于解决最优解类型的问题。
其思路是为了求解当前的问题的最优解，使用子问题的最优解，然后综合处理，最终得到原问题的最优解。
但是也不是说任何最优解问题都可以DP，使用dp的问题一般满足下面的两个特征：
（1）最优子结构，就是指问题可以通过子问题最优解得到；体现为找出所有的子问题最优解，然后取其中的最优；
（2）重叠子问题，就是子问题是会重复的。而不是一直产生新的子问题（比如分治类型的问题）。
一般而言，满足上述两个条件的最优解问题都可以会使用DP来解决。
DP在算法上的形式是什么？
有两种，一种是自顶向下，就是直接从原问题入手，不断利用子问题来求解，这种写法是一个递归地形式，但是需要加入备忘录，就是说利用一个数组存已经算出的子问题的结果，下次遇到直接返回。这个思路叫做memoization，备忘录。是一种空间换时间的做法，因为某些子问题会被调用到很多次，如果使用memo，那么时间上会很高效。比如求斐波那契数列，几乎每一个求解都会用到f(2)这样的子问题，如果事先存好，那么时间复杂度会下降很多。还有一点，memo不是为dp而生的，它也是一种思想或者技巧，在递归或者dfs中可以使用，如果要求时间复杂度可以考虑使用memo。
第二种是自底向上，这种不需要递归，就是不断地计算出小问题的解，然后后面的问题就可以利用小问题的解得到。
下面是算法导论中的一个简单的例子，给出一个长度为n的钢管，然后给出切割为不同长度以后的价格，问如何切割获利最大。
/**
* @author miracle
*切割钢条问题：
*长度：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
*价格：1 5 8 9 10 17 17 20 24 30
*问长度为n的钢条的最多卖多少钱
*/
public class Solution {
int[] prices = {0, 1, 5, 8, 9, 10, 17, 17, 20, 24, 30};
int[] dp = new int[prices.length];
public int solve(int[] prices, int n){
if(n == 0) return 0;
int max = Integer.MIN_VALUE;
for(int i = 1; i <= n; i++){
max = Math.max(max, prices[i] + solve(prices, n - i));
}
return max;
}
public int solveWithMemoUpToBottom(int[] prices, int n){
if(n == 0 || dp[n] > 0) return dp[n];
int max = Integer.MIN_VALUE;
for(int i = 1; i <= n; i++){
max = Math.max(max, prices[i] + solve(prices, n - i));
}
dp[n] = max;
return max;
}
public int solveBottomToUp(int[] prices, int n){
int[] dp = new int[prices.length];
for(int i = 1; i <= n; i++){
int max = Integer.MIN_VALUE;
for(int j = 1; j <= i; j++){
max = Math.max(max, prices[j] + prices[i - j]);
}
dp[i] = max;
}
return dp[n];
}
public static void main(String args[]){
Solution s = new Solution();
// System.out.println(s.solve(s.prices, 1));
// System.out.println(s.solve(s.prices, 2));
// System.out.println(s.solve(s.prices, 3));
// System.out.println(s.solve(s.prices, 4));
// System.out.println(s.solve(s.prices, 5));
System.out.println(s.solveBottomToUp(s.prices, 1));
System.out.println(s.solveBottomToUp(s.prices, 2));
System.out.println(s.solveBottomToUp(s.prices, 3));
System.out.println(s.solveBottomToUp(s.prices, 4));
System.out.println(s.solveBottomToUp(s.prices, 5));
}
}
分别给出了不带memo，带memo的以及自底向上3中算法。
就实际情况来看，一般还是使用非递归的bottom to up类型。但是memo在递归中的使用也是一个小的技巧。
最后说下递归，dp，分治的区别。
递归只是一种编程的思想，只要自己调用自己，就算是递归。
分治，有三步，先分，再各自处理，最后整合。这里也涉及了子问题，这里的子问题是不重叠的，每一个只被处理一次，因此不需要memo。
dp，可以使用递归，而且dp的子问题是重复的。
dp说白了是子问题或者递归+memo，他其实是一种brute force，只不过记录了全部的结果，这就是为什么dp适用于解决最优解问题的原因（开头提到），其实它不一定非得解决最优解，只是它的思想使得它非常适合解决最优解问题。