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  • 最长公共子序列问题

     

    算法描述:

    问题描述:字符序列的子序列是指从给定字符序列中随意地(不一定连续)去掉若干个字符(可能一个也不去掉)后所形成的字符序列。令给定的字符序列X=“x0,x1,…,xm-1”,序列Y=“y0,y1,…,yk-1”是X的子序列,存在X的一个严格递增下标序列<i0,i1,…,ik-1>,使得对所有的j=0,1,…,k-1,有xij=yj。例如,X=“ABCBDAB”,Y=“BCDB”是X的一个子序列。考虑最长公共子序列问题如何分解成子问题,设A=“a0,a1,…,am-1”,B=“b0,b1,…,bm-1”,并Z=“z0,z1,…,zk-1”为它们的最长公共子序列。不难证明有以下性质:

    (1) 如果am-1=bn-1,则zk-1=am-1=bn-1,且“z0,z1,…,zk-2”是“a0,a1,…,am-2”和“b0,b1,…,bn-2”的一个最长公共子序列;

    (2) 如果am-1!=bn-1,则若zk-1!=am-1,蕴涵“z0,z1,…,zk-1”是“a0,a1,…,am-2”和“b0,b1,…,bn-1”的一个最长公共子序列;

    (3) 如果am-1!=bn-1,则若zk-1!=bn-1,蕴涵“z0,z1,…,zk-1”是“a0,a1,…,am-1”和“b0,b1,…,bn-2”的一个最长公共子序列。

    这样,在找A和B的公共子序列时,如有am-1=bn-1,则进一步解决一个子问题,找“a0,a1,…,am-2”和“b0,b1,…,bm-2”的一个最长公共子序列;如果am-1!=bn-1,则要解决两个子问题,找出“a0,a1,…,am-2”和“b0,b1,…,bn-1”的一个最长公共子序列和找出“a0,a1,…,am-1”和“b0,b1,…,bn-2”的一个最长公共子序列,再取两者中较长者作为A和B的最长公共子序列。

    算法分析:

    引进一个二维数组c[][],用c[i][j]记录X[i]与Y[j] 的LCS 的长度,b[i][j]记录c[i][j]是通过哪一个子问题的值求得的,以决定搜索的方向。
    我们是自底向上进行递推计算,那么在计算c[i,j]之前,c[i-1][j-1],c[i-1][j]与c[i][j-1]均已计算出来。此时我们根据X[i] = Y[j]还是X[i] != Y[j],就可以计算出c[i][j]

     

    #include <stdio.h>

    #include <string.h>

    #define MAXLEN 100

    void LCSLength(char *x, char *y, int m, int n, int c[][MAXLEN], int b[][MAXLEN])

    {

        int i, j;

        

        for(i = 0; i <= m; i++)

            c[i][0] = 0;

        for(j = 1; j <= n; j++)

            c[0][j] = 0;

        for(i = 1; i<= m; i++)

        {

            for(j = 1; j <= n; 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(int b[][MAXLEN], char *x, int i, int j)

    {

        if(i == 0 || j == 0)

            return;

        if(b[i][j] == 0)

        {

            PrintLCS(b, x, i-1, j-1);

            printf("%c ", x[i-1]);

        }

        else if(b[i][j] == 1)

            PrintLCS(b, x, i-1, j);

        else

            PrintLCS(b, x, i, j-1);

    }

     

    int main(int argc, char **argv)

    {

        char x[MAXLEN] = {"ABCBDAB"};

        char y[MAXLEN] = {"BDCABA"};

        int b[MAXLEN][MAXLEN];

        int c[MAXLEN][MAXLEN];

        int m, n;

        m = strlen(x);

        n = strlen(y);

        LCSLength(x, y, m, n, c, b);

        PrintLCS(b, x, m, n);

        

        return 0;

    }

     

     

     

    小结:

    经常会遇到复杂问题不能简单地分解成几个子问题,而会分解出一系列的子问题。简单地采用把大问题分解成子问题,并综合子问题的解导出大问题的解的方法,问题求解耗时会按问题规模呈幂级数增加。

    为了节约重复求相同子问题的时间,引入一个数组,不管它们是否对最终解有用,把所有子问题的解存于该数组中,这就是动态规划法所采用的基本方法

     

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