Java基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃法實(shí)現(xiàn)求最長(zhǎng)公共子序列及最長(zhǎng)公共子字符串示例
本文實(shí)例講述了Java基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃法實(shí)現(xiàn)求最長(zhǎng)公共子序列及最長(zhǎng)公共子字符串。分享給大家供大家參考,具體如下:
動(dòng)態(tài)規(guī)劃法
經(jīng)常會(huì)遇到復(fù)雜問(wèn)題不能簡(jiǎn)單地分解成幾個(gè)子問(wèn)題,而會(huì)分解出一系列的子問(wèn)題。簡(jiǎn)單地采用把大問(wèn)題分解成子問(wèn)題,并綜合子問(wèn)題的解導(dǎo)出大問(wèn)題的解的方法,問(wèn)題求解耗時(shí)會(huì)按問(wèn)題規(guī)模呈冪級(jí)數(shù)增加。
為了節(jié)約重復(fù)求相同子問(wèn)題的時(shí)間,引入一個(gè)數(shù)組,不管它們是否對(duì)最終解有用,把所有子問(wèn)題的解存于該數(shù)組中,這就是動(dòng)態(tài)規(guī)劃法所采用的基本方法。
【問(wèn)題】 求兩字符序列的最長(zhǎng)公共字符子序列
問(wèn)題描述:字符序列的子序列是指從給定字符序列中隨意地(不一定連續(xù))去掉若干個(gè)字符(可能一個(gè)也不去掉)后所形成的字符序列。令給定的字符序列X=“x0,x1,…,xm-1”,序列Y=“y0,y1,…,yk-1”是X的子序列,存在X的一個(gè)嚴(yán)格遞增下標(biāo)序列<i0,i1,…,ik-1>,使得對(duì)所有的j=0,1,…,k-1,有xij=yj。例如,X=“ABCBDAB”,Y=“BCDB”是X的一個(gè)子序列。
考慮最長(zhǎng)公共子序列問(wèn)題如何分解成子問(wèn)題,設(shè)A=“a0,a1,…,am-1”,B=“b0,b1,…,bm-1”,并Z=“z0,z1,…,zk-1”為它們的最長(zhǎng)公共子序列。不難證明有以下性質(zhì):
(1) 如果am-1=bn-1,則zk-1=am-1=bn-1,且“z0,z1,…,zk-2”是“a0,a1,…,am-2”和“b0,b1,…,bn-2”的一個(gè)最長(zhǎng)公共子序列;
(2) 如果am-1!=bn-1,則若zk-1!=am-1,蘊(yùn)涵“z0,z1,…,zk-1”是“a0,a1,…,am-2”和“b0,b1,…,bn-1”的一個(gè)最長(zhǎng)公共子序列;
(3) 如果am-1!=bn-1,則若zk-1!=bn-1,蘊(yùn)涵“z0,z1,…,zk-1”是“a0,a1,…,am-1”和“b0,b1,…,bn-2”的一個(gè)最長(zhǎng)公共子序列。
這樣,在找A和B的公共子序列時(shí),如有am-1=bn-1,則進(jìn)一步解決一個(gè)子問(wèn)題,找“a0,a1,…,am-2”和“b0,b1,…,bm-2”的一個(gè)最長(zhǎng)公共子序列;如果am-1!=bn-1,則要解決兩個(gè)子問(wèn)題,找出“a0,a1,…,am-2”和“b0,b1,…,bn-1”的一個(gè)最長(zhǎng)公共子序列和找出“a0,a1,…,am-1”和“b0,b1,…,bn-2”的一個(gè)最長(zhǎng)公共子序列,再取兩者中較長(zhǎng)者作為A和B的最長(zhǎng)公共子序列。
求解:
引進(jìn)一個(gè)二維數(shù)組c[][],用c[i][j]記錄X[i]與Y[j] 的LCS 的長(zhǎng)度,b[i][j]記錄c[i][j]是通過(guò)哪一個(gè)子問(wèn)題的值求得的,以決定搜索的方向。
我們是自底向上進(jìn)行遞推計(jì)算,那么在計(jì)算c[i,j]之前,c[i-1][j-1],c[i-1][j]與c[i][j-1]均已計(jì)算出來(lái)。此時(shí)我們根據(jù)X[i] = Y[j]還是X[i] != Y[j],就可以計(jì)算出c[i][j]。
問(wèn)題的遞歸式寫成:
回溯輸出最長(zhǎng)公共子序列過(guò)程:
算法分析:
由于每次調(diào)用至少向上或向左(或向上向左同時(shí))移動(dòng)一步,故最多調(diào)用(m * n)次就會(huì)遇到i = 0或j = 0的情況,此時(shí)開(kāi)始返回。返回時(shí)與遞歸調(diào)用時(shí)方向相反,步數(shù)相同,故算法時(shí)間復(fù)雜度為Θ(m * n)。
Java代碼實(shí)現(xiàn):
public class LCSProblem { public static void main(String[] args) { //保留空字符串是為了getLength()方法的完整性也可以不保留 //但是在getLength()方法里面必須額外的初始化c[][]第一個(gè)行第一列 String[] x = {"", "A", "B", "C", "B", "D", "A", "B"}; String[] y = {"", "B", "D", "C", "A", "B", "A"}; int[][] b = getLength(x, y); Display(b, x, x.length-1, y.length-1); } /** * @param x * @param y * @return 返回一個(gè)記錄決定搜索的方向的數(shù)組 */ public static int[][] getLength(String[] x, String[] y) { int[][] b = new int[x.length][y.length]; int[][] c = new int[x.length][y.length]; for(int i=1; i<x.length; i++) { for(int j=1; j<y.length; j++) { //對(duì)應(yīng)第一個(gè)性質(zhì) if( x[i] == y[j]) { c[i][j] = c[i-1][j-1] + 1; b[i][j] = 1; } //對(duì)應(yīng)第二或者第三個(gè)性質(zhì) else if(c[i-1][j] >= c[i][j-1]) { c[i][j] = c[i-1][j]; b[i][j] = 0; } //對(duì)應(yīng)第二或者第三個(gè)性質(zhì) else { c[i][j] = c[i][j-1]; b[i][j] = -1; } } } return b; } //回溯的基本實(shí)現(xiàn),采取遞歸的方式 public static void Display(int[][] b, String[] x, int i, int j) { if(i == 0 || j == 0) return; if(b[i][j] == 1) { Display(b, x, i-1, j-1); System.out.print(x[i] + " "); } else if(b[i][j] == 0) { Display(b, x, i-1, j); } else if(b[i][j] == -1) { Display(b, x, i, j-1); } } }
運(yùn)行結(jié)果:
B C B A
最長(zhǎng)公共子字符串:類似最長(zhǎng)子序列,只是公共子字符串要求必須是連續(xù)的。
java實(shí)現(xiàn)代碼如下:
public class stringCompare { //在動(dòng)態(tài)規(guī)劃矩陣生成方式當(dāng)中,每生成一行,前面的那一行就已經(jīng)沒(méi)有用了,因此這里只需使用一維數(shù)組,而不是常用的二位數(shù)組 public static void getLCString(char[] str1, char[] str2) { int len1, len2; len1 = str1.length; len2 = str2.length; int maxLen = len1 > len2 ? len1 : len2; int[] max = new int[maxLen];// 保存最長(zhǎng)子串長(zhǎng)度的數(shù)組 int[] maxIndex = new int[maxLen];// 保存最長(zhǎng)子串長(zhǎng)度最大索引的數(shù)組 int[] c = new int[maxLen]; int i, j; for (i = 0; i < len2; i++) { for (j = len1 - 1; j >= 0; j--) { if (str2[i] == str1[j]) { if ((i == 0) || (j == 0)) c[j] = 1; else c[j] = c[j - 1] + 1;//此時(shí)C[j-1]還是上次循環(huán)中的值,因?yàn)檫€沒(méi)被重新賦值 } else { c[j] = 0; } // 如果是大于那暫時(shí)只有一個(gè)是最長(zhǎng)的,而且要把后面的清0; if (c[j] > max[0]) { max[0] = c[j]; maxIndex[0] = j; for (int k = 1; k < maxLen; k++) { max[k] = 0; maxIndex[k] = 0; } } // 有多個(gè)是相同長(zhǎng)度的子串 else if (c[j] == max[0]) { for (int k = 1; k < maxLen; k++) { if (max[k] == 0) { max[k] = c[j]; maxIndex[k] = j; break; // 在后面加一個(gè)就要退出循環(huán)了 } } } } for (int temp : c) { System.out.print(temp); } System.out.println(); } //打印最長(zhǎng)子字符串 for (j = 0; j < maxLen; j++) { if (max[j] > 0) { System.out.println("第" + (j + 1) + "個(gè)公共子串:"); for (i = maxIndex[j] - max[j] + 1; i <= maxIndex[j]; i++) System.out.print(str1[i]); System.out.println(" "); } } } public static void main(String[] args) { String str1 = new String("binghaven"); String str2 = new String("jingseven"); getLCString(str1.toCharArray(), str2.toCharArray()); } }
輸出:
000000000
010000000
002000001
000300000
000000000
000000010
000000100
000000020
001000003
第1個(gè)公共子串:
ing
第2個(gè)公共子串:
ven
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