c++動(dòng)態(tài)規(guī)劃經(jīng)典算法
基本思想
動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法通常用于求解具有某種最優(yōu)性質(zhì)的問題。在這類問題中,可能會(huì)有許多可行解。每一個(gè)解都對(duì)應(yīng)于一個(gè)值,我們希望找到具有最優(yōu)值的解。動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法與分治法類似,其基本思想也是將待求解問題分解成若干個(gè)子問題,先求解子問題,然后從這些子問題的解得到原問題的解。與分治法不同的是,適合于用動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解的問題,經(jīng)分解得到子問題往往不是互相獨(dú)立的。若用分治法來解這類問題,則分解得到的子問題數(shù)目太多,有些子問題被重復(fù)計(jì)算了很多次。如果我們能夠保存已解決的子問題的答案,而在需要時(shí)再找出已求得的答案,這樣就可以避免大量的重復(fù)計(jì)算,節(jié)省時(shí)間。我們可以用一個(gè)表來記錄所有已解的子問題的答案。不管該子問題以后是否被用到,只要它被計(jì)算過,就將其結(jié)果填入表中。這就是動(dòng)態(tài)規(guī)劃法的基本思路。具體的動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法多種多樣,但它們具有相同的填表格式。
重要分析問題方法
動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法跟數(shù)組有著密切的關(guān)系,因此推薦大家在分析動(dòng)態(tài)規(guī)劃的算法時(shí)畫一張表格(建議使用excel)分析解決問題往往能夠事半功倍。
動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法實(shí)例
1、臺(tái)階問題
問題描述:有10級(jí)臺(tái)階,一個(gè)人每次上一級(jí)或者兩級(jí),問有多少種走完10級(jí)臺(tái)階的方法。
結(jié)合表格分析問題,每個(gè)子問題都只跟臺(tái)階這個(gè)變量相關(guān),可以畫出一個(gè)一維表格進(jìn)行分析。
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |
走法 | 1 | 2 | 3 | 5 | 8 | 13 | 21 | 34 | 55 | 89 |
分析邊界條件:對(duì)于每個(gè)臺(tái)階每次上一級(jí)或者兩級(jí),當(dāng)臺(tái)階數(shù)為1時(shí)走法為1(即走一級(jí)即畢)為2時(shí)走法為2(走兩次一級(jí)和走一次二級(jí))。
分析遞歸關(guān)系:對(duì)于任一臺(tái)階都可以分為通過兩級(jí)或者一階到達(dá)。
終于,在有了上述兩個(gè)條件之后,問題輕易得到了求解。(結(jié)合表格分析的手段到這里還沒有完全發(fā)揮出它該有的優(yōu)勢(shì),大家拭目以待)
臺(tái)階問題基于c++的代碼實(shí)現(xiàn):
// ConsoleApplication2.cpp : 定義控制臺(tái)應(yīng)用程序的入口點(diǎn)。 // //臺(tái)階問題:有一座高度是10級(jí)臺(tái)階的樓梯,從下往上走,每跨一步只能向上1級(jí)或者2級(jí)臺(tái)階。要求用程序來求出一共有多少種走法。 #include "stdafx.h" #include <iostream> using namespace std; int getResultByDP(int n)//自底向上的問題解法 { if (n<1) { return 0; } if (n==1) { return 1; } if (n==2) { return 2; } int a = 1;//從兩個(gè)遞歸基開始 int b = 2; int temp = 0; for (int i = 3; i < n + 1; i++) { temp = a + b; a = b; b = temp; } return temp; } int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { cout << getResultByDP(10); system("pause"); return 0; }
2、從矩陣左上角走到右下角最短路徑問題
問題描述:給定一個(gè)矩陣m,從左上角開始每次只能向右走或者向下走,最后達(dá)到右下角的位置,路徑中所有數(shù)字累加起來就是路徑和,返回所有路徑的最小路徑和,如果給定的m如下,那么路徑1,3,1,0,6,1,0就是最小路徑和,返回12.
1 3 5 9
8 1 3 4
5 0 6 1
8 8 4 0
矩陣從左上角走到右下角 | |||||
0 | 1 | 2 | 3 | 4 | |
0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
1 | 0 | 1 | 3 | 5 | 9 |
2 | 0 | 8 | 1 | 3 | 5 |
3 | 0 | 5 | 0 | 6 | 1 |
4 | 0 | 8 | 8 | 4 | 0 |
0 | 1 | 2 | 3 | 4 | |
0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
1 | 0 | 1 | 4 | 9 | 18 |
2 | 0 | 9 | 5 | 8 | 13 |
3 | 0 | 14 | 5 | 11 | 12 |
4 | 0 | 22 | 13 | 15 | 12 |
邊界條件分析:由問題知道對(duì)于任一矩陣中的元素而言,上次位置或者是在該元素的坐標(biāo)或者上邊。那么當(dāng)一些元素沒有左邊或者上邊時(shí)應(yīng)該怎么做呢?不妨就說的更為具體一些吧,如上圖的表格所示當(dāng)x(表示行下標(biāo))等于1,和y(表示列下標(biāo))等于1時(shí)正好是對(duì)應(yīng)沒有上邊元素和沒有左邊元素的情況。對(duì)于只有左邊元素的值array[x][y]=array[x][y-1]+m[x][y],對(duì)于只有上邊元素:array[x][y]=array[x-1][y]+m[x][y](array為下面統(tǒng)計(jì)問題結(jié)果的二維數(shù)組,m為包含輸入矩陣信息的二維數(shù)組)。
遞歸公式:對(duì)于平凡的子問題而言 (推導(dǎo)遞歸公式時(shí)刻意的考察array[x][y]和array[x-1][y]與array[x][y-1]的實(shí)際關(guān)系)
對(duì)于此問題而言:arry[x][y]=min(array[x-1][y],array[x][y-1])+m[x][y]
以下是該問題基于c++的代碼實(shí)現(xiàn):
//給定一個(gè)矩陣m,從左上角開始每次只能向右走或者向下走,最后達(dá)到右下角的位置,路徑中所有數(shù)字累加起來就是路徑和,返回所有路徑的最小路徑和,如果給定的m如下,那么路徑1,3,1,0,6,1,0就是最小路徑和,返回12. #include "stdafx.h" #include <string> #include <iostream> #include <algorithm> using namespace std; int const x_length=5, y_length=5; int m[x_length][y_length] = { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 3, 5, 9, 0, 8, 1, 3, 5, 0, 5, 0, 6, 1, 0, 8, 8, 4, 0 }; int minDis() //m二級(jí)指針(可以是一個(gè)二維數(shù)組) { int dp[4 + 1][4 + 1]; //---------初始化邊界條件----------------- for (size_t i = 0; i < x_length; i++) { dp[i][0] = 0; } for (size_t j = 0; j < y_length; j++) { dp[0][j] = 0; } //------------------------------------------- for (size_t i = 1; i < x_length; i++) { for (size_t j= 1; j < y_length; j++) { if (i == 1) { dp[i][j] = dp[i][j - 1] + m[i][j]; } else if (j == 1) { dp[i][j] = dp[i - 1][j] + m[i][j]; } else { int temp1 = dp[i - 1][j] + m[i][j]; int temp2 = dp[i][j - 1] + m[i][j]; dp[i][j] = min(temp1, temp2); } } } return dp[x_length - 1][y_length - 1]; } int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { cout << "最右下角的最短路徑為:" << minDis(); system("pause"); return 0; }
3、最大子數(shù)組問題
問題描述:給定數(shù)組arr,返回arr的最長遞增子序列的長度,比如arr=[2,1,5,3,6,4,8,9,7],最長遞增子序列為[1,3,4,8,9]返回其長度為5,由于該問題中總要把當(dāng)前元素和在他之前的進(jìn)行分析,我們也是借助表格來直觀的分析該問題。
2 | 4 | 5 | 3 | 1 | ||||
0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ||
2 | 0 | |||||||
4 | 1 | |||||||
5 | 2 | |||||||
3 | 3 | |||||||
1 | 4 | |||||||
0 | 1 | 2 | 3 | 4 | ||||
1 | 2 | 3 | 2 | 1 |
邊界條件:顯然對(duì)于第一個(gè)數(shù)而言有dp[0]=1(dp表示存放結(jié)果的數(shù)組)
遞歸公式:首先生成dp[n]的數(shù)組,dp[i]表示以必須arr[i]這個(gè)數(shù)結(jié)束的情況下產(chǎn)生的最大遞增子序列的長度。對(duì)于第一個(gè)數(shù)來說,很明顯dp[0]為1,當(dāng)我們計(jì)算dp[i]的時(shí)候,我們?nèi)タ疾靑位置之前的所有位置,找到i位置之前的最大的dp值,記為dp[j](0=<j<i),dp[j]代表以arr[j]結(jié)尾的最長遞增序列,而dp[j]又是之前計(jì)算過的最大的那個(gè)值,我們?cè)趤砼袛郺rr[i]是否大于arr[j],如果大于dp[i]=dp[j]+1.計(jì)算完dp之后,我們找出dp中的最大值,即為這個(gè)串的最長遞增序列。
該問題基于c++的代碼實(shí)現(xiàn):
//給定數(shù)組arr,返回arr的最長遞增子序列的長度,比如arr=[2,1,5,3,6,4,8,9,7],最長遞增子序列為[1,3,4,8,9]返回其長度為5. #include "stdafx.h" #include <string> #include <iostream> #include <algorithm> #include <vector> using namespace std; int dp[5] = {}; int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { int arr[5] = { 2, 4, 5, 3, 1 }; dp[0] = 1; const int oo = 0; for (int i = 1; i<5; i++){ int _max = oo; for (int j = 0; j<i; j++) if (dp[j]>_max && arr[i]>arr[j]) _max = dp[j]; dp[i] = _max + 1; } int maxlist = 0; for (int i = 0; i < 5; i++) if (dp[i] > maxlist) maxlist = dp[i]; cout << maxlist << endl; system("pause"); return 0; }
4、最長公共子序列
問題描述:給定兩個(gè)字符串str1和str2,返回兩個(gè)字符串的最長公共子序列,例如:str1="1A2C3D4B56",str2="B1D23CA45B6A","123456"和"12C4B6"都是最長公共子序列,返回哪一個(gè)都行。
問題分析:首先生成dp[n]的數(shù)組,dp[i]表示以必須arr[i]這個(gè)數(shù)結(jié)束的情況下產(chǎn)生的最大遞增子序列的長度。對(duì)于第一個(gè)數(shù)來說,很明顯dp[0]為1,當(dāng)我們計(jì)算dp[i]的時(shí)候,我們?nèi)タ疾靑位置之前的所有位置,找到i位置之前的最大的dp值,記為dp[j](0=<j<i),dp[j]代表以arr[j]結(jié)尾的最長遞增序列,而dp[j]又是之前計(jì)算過的最大的那個(gè)值,我們?cè)趤砼袛郺rr[i]是否大于arr[j],如果大于dp[i]=dp[j]+1.計(jì)算完dp之后,我們找出dp中的最大值,即為這個(gè)串的最長遞增序列。
B | D | C | A | B | A | |||
0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |||
A | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
B | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 |
C | 2 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 |
B | 3 | 0 | 1 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 |
D | 4 | 0 | 1 | 1 | 2 | 2 | 3 | 3 |
A | 5 | 0 | 1 | 2 | 2 | 2 | 3 | 3 |
B | 6 | 0 | 1 | 2 | 2 | 3 | 3 | 4 |
7 | 0 | 1 | 2 | 2 | 3 | 4 | 4 | |
B | D | C | A | B | A | |||
0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |||
A | 0 | -2 | -2 | -2 | -2 | -2 | -2 | -2 |
B | 1 | -2 | -1 | -1 | -1 | 0 | 1 | 0 |
C | 2 | -2 | 0 | 1 | 1 | -1 | 0 | 1 |
B | 3 | -2 | -1 | -1 | 0 | 1 | -1 | -1 |
D | 4 | -2 | 0 | -1 | -1 | -1 | 0 | 1 |
A | 5 | -2 | -1 | 0 | -1 | -1 | -1 | -1 |
B | 6 | -2 | -1 | -1 | -1 | 0 | -1 | 0 |
7 | -2 | 0 | -1 | -1 | -1 | 0 | -1 |
該問題基于c++代碼實(shí)現(xiàn):
//輸入為兩個(gè)長度不為零的字符串,輸出這兩個(gè)字符串的最大公共子序列 #include "stdafx.h" #include <string> #include <iostream> #ifndef MAX #define MAX(X,Y) ((X>=Y)? X:Y) #endif using namespace std; int **Lcs_length(string X, string Y, int **B) { int x_len = X.length(); int y_len = Y.length(); int **C = new int *[x_len + 1]; for (int i = 0; i <= x_len; i++) { C[i] = new int[y_len + 1]; //定義一個(gè)存放最優(yōu)解的值的表; } for (int i = 0; i <= x_len; i++) { C[i][0] = 0; B[i][0] = -2; //-2表示沒有方向 } for (int j = 0; j <= y_len; j++) { C[0][j] = 0; B[0][j] = -2; } for (int i = 1; i <= x_len; i++) { for (int j = 1; j <= y_len; j++) { if (X[i - 1] == Y[j - 1]) { C[i][j] = C[i - 1][j - 1] + 1; B[i][j] = 0; //0表示斜向左上 } else { if (C[i - 1][j] >= C[i][j - 1]) { C[i][j] = C[i - 1][j]; B[i][j] = -1; //-1表示豎直向上; } else { C[i][j] = C[i][j - 1]; B[i][j] = 1; //1表示橫向左 } } } } return C; } void OutPutLCS(int **B, string X, int str1_len, int str2_len) { if (str1_len == 0 || str2_len == 0) { return; } if (B[str1_len][str2_len] == 0) //箭頭斜向左上 { OutPutLCS(B, X, str1_len - 1, str2_len - 1); cout << X[str1_len - 1] << endl; } else if (B[str1_len][str2_len] == -1) { OutPutLCS(B, X, str1_len - 1, str2_len); } else { OutPutLCS(B, X, str1_len, str2_len - 1); } } int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { string X = "ABCBDAB"; string Y = "BDCABA"; int x_len = X.length(); int y_len = Y.length(); int **C;//定義一個(gè)二維數(shù)組 int **B = new int *[x_len + 1]; for (int i = 0; i <= x_len; i++) { B[i] = new int[y_len + 1]; } C = Lcs_length(X, Y, B); for (int i = 0; i <= x_len; i++) { for (int j = 0; j <= y_len; j++) { cout << C[i][j] << " "; } cout << endl; } cout << endl; for (int i = 0; i <= x_len; i++) { for (int j = 0; j <= y_len; j++) { cout << B[i][j] << " "; } cout << endl; } OutPutLCS(B, X, x_len, y_len);//構(gòu)造最優(yōu)解 system("pause"); return 0; }
到此這篇關(guān)于c++動(dòng)態(tài)規(guī)劃經(jīng)典算法的文章就介紹到這了,更多相關(guān)c++動(dòng)態(tài)規(guī)劃內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!
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