动态规划算法入门

it2022-05-05  101

动态规划算法定义:

    动态规划,英文描述为Dynamic programming. 是一种可以把原始问题分解为若干相关联的子解问题,并通过求取和保存子问题的解,获得原问题的解。

    动态规划算法可以解决的问题通常包含如下特征:

重叠子问题最优子结构

  对于第一个特征,比较容易理解,即分解的若干子问题,包含着重复的解。举例如:斐波那契数列,F(n) = F(n-1) + F(n-2), 求解的F(n-1)的过程中,包含着求解F(n-2)的结果。

      对于第二个特征,参考网上的说法为:

       假设当前决策结果是f[n],则最优子结构就是要让f[n-k]最优,最优子结构性质就是能让转移到n的状态是最优的,并且与后面的决策没有关系,即让后面的决策安心地使用前面的局部最优解的一种性质。

关键字解读为:  

 当前的决策与后面的决策是无关的,    f[n-k]是最优的,转移到f[n]的状态是最优的

    2. 动态规划算法的一般步骤和难点

  使用动态规划算法解决问题的一般步骤是:

 找到问题的最优解的性质,用数学公式或者算法描述 拆解子问题,确定问题的递推结构,保证可以收敛。

  用知乎大神们的总结就是:找到问题的状态描述和状态转移方程。

    3. 动态规划算法的分类和理解

  根据我的理解,以及网上的说法,我把动态规划算法分为三个类别和层次:

简单动态规划算法,即状态方程是用一个维度的变量的描述的,常见的问题如:斐波那契数列,爬台阶问题等

  爬台阶问题问题描述: 有一座高度是10级台阶的楼梯,从下往上走,每跨一步只能向上1级或者2级台阶。要求用程序来求出一共有多少种走法。

  状态描述: 我们使用变量n表示台阶的级数,F(n)表示n级台阶一共有多少种走法

  状态转移方程与问题分解: 根据每次能跨越的台阶数目:1级台阶或者2级台阶,因为走到N级台阶之前,人一定是处于N-1级台阶或者N-2级台阶。F(n)的走法,一定是n-1级别的台阶的所有的走法和n-2级别台阶的所有走法之和。

  F(n) = F(n-1) + F(n-2);  关于状态的分解,更详细的说明,可以看这篇文章:http://blog.csdn.net/baidu_37107022/article/details/73188963。 作者讲的非常的通俗易懂。佩服这么辛苦的编辑。

     Java的代码实现

public static int getSumStep(int n){ if(n < 1){ return 0; } else if(n == 1){ return 1; } else if(n == 2){ return 1; } else { int f1 = 1; int f2 = 1; int f = 0; for(int i=3; i<=n; ++i){ f = f1 + f2; f1 = f2; f2 = f; } return f; } }

二维的变量变化的动态规划算法,即最优解和递推关系需要两个维度变量来描述的,比如01背包问题,两个字符串的公共子序列问题

     这类问题通常需要两个维度的变量,状态的描述比较晦涩,不容易理解,递推关系不是很直观。我自己的学习方法是牢记一个例子,这里以01背包问题为例:

问题描述:有编号分别为a,b,c,d的四件物品,它们的重量分别是2,3,4,5,它们的价值分别是3,4,5,6,现在给你个承重为8的背包,如何让背包里装入的物品具有最大的价值总和?

编号abcdw(重量)2345v(价值)3456

     

    这类问题我觉得抽象的比较好的一篇文章是这篇文章:

     http://www.cnblogs.com/Christal-R/p/Dynamic_programming.html, 不过我当时是在手机上看到的,好了好久才找到这篇文章。

    作者抽象的实在太好了,我觉得我都没法用语言去写出这么严格的数学公式表达和证明,这里就不赘述了。

    下面写的,仅供自己理解使用, 总结下来就是:

    Xi的取值为0,1 ;表示物品是否选取, i的取值为 1,2,3,4表示a,b,c,d4见物品

    Wi表示物品的重量, w1=2, 表示 a物品的重量为2 

    Vi 表示物品的价值, v3 - 5, 表示物品c的价值为5;

    

      其中n 表示 前 n个物品,这个表述是很重要的,如果是第一次思考这个问题,很多人都会卡在这里,

      m表示背包的重量;

      约束条件: 

     

       递推关系: 

       

      第一个公式表示  n == 0 或者 m == 0 ,  即物品的数量为0 或者背包的重量为0的时候,可以算是起始条件

      第二个公式表示: 表示包的重量小于新增加的物品, 新增加的物品,无法装入,如下图的F(2, 2 ) 表示前两个物品,包的重量2 ,  2  < (w[2] = 3), 此时F(2,2 )= F(1 , 2) = 3;

      第三个公式表示: 包的重量能够容纳w[n],新增加的物品,这个时候,最大的价值就要在 F(n-1, m) 和 F(n-1, m- Wn) + V[n]) 这两个价值中选取了。

      举例如下图打表的 F(4, 8),  因为 8 - (w[n] ,4) > 0 F(4, 8) = max(F(3, 8), F(3,3 ) + v[4]) = 10;

      表的过程如下:

      

      java代码如下:

     

public static int getMaxValue(int[] wArray, int[] vArray, int bagWeight){ int lenght = wArray.length; // init set zero // manipulator the talbe int [][] result = new int[lenght+1][bagWeight+1]; int [][] bRecord = new int[lenght+1][bagWeight+1]; for(int i=1; i<= lenght; ++i){ for(int j=1;j <= bagWeight; ++j){ if(j<wArray[i-1]){ result[i][j] = result[i-1][j]; bRecord[i][j] = 1; }else{ if( result[i-1][j] > result[i-1][j-wArray[i-1]]+ vArray[i-1]) { result[i][j] = result[i-1][j]; bRecord[i][j] = 1; } else{ result[i][j] = result[i-1][j-wArray[i-1]]+ vArray[i-1]; bRecord[i][j] = 2; } } } } return result[lenght][bagWeight]; //return bRecord; }

     需要注意的是因为java数组的索引下标为从0,开始,所以

result[i][j] = result[i-1][j-wArray[i-1]]+ vArray[i-1]; brecord是记录操作的过程,用于回溯使用,这部分代码,后续实现。

带有额外条件的动态规划问题(这类问题,我暂时还没有学习)

    4.   动态规划与分治法的区别和联系

      分治法是指将问题划分成一些独立地子问题,递归地求解各子问题,然后合并子问题的解而得到原问题的解。

     动态规划适用于子问题独立且重叠的情况,也就是各子问题包含公共的子子问题。动态规划算法对每个子子问题只求解一次,将其结果保存在一张表中,从而避免每次遇到各个子问题时重新计算答案。

     分治法主要在于子问题的独立性,比如排序算法等, 动态规划算法主要适用于处理 子问题重复性和最优子结构的的问题。  

     目前的理解还比较浅显,只能先这么记录了。

转载于:https://www.cnblogs.com/xiaotuan/p/7260111.html


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