动态规划

动态规划要解决的问题:要解决的问题中每一种状态都是由上一个状态推导出来的。

动态规划,英文:Dynamic Programming,简称DP,如果某一问题有很多重叠子问题,使用动态规划是最有效的。

所以动态规划中每一个状态一定是由上一个状态推导出来的,这一点就区分于贪心,贪心没有状态推导,而是从局部直接选最优的,在关于贪心算法,你该了解这些! (opens new window)中我举了一个背包问题的例子。

例如:有N件物品和一个最多能背重量为W 的背包。第i件物品的重量是weight[i],得到的价值是value[i] 。每件物品只能用一次,求解将哪些物品装入背包里物品价值总和最大。

动态规划中dp[j]是由dp[j-weight[i]]推导出来的,然后取max(dp[j], dp[j – weight[i]] + value[i])。但如果是贪心呢,每次拿物品选一个最大的或者最小的就完事了,和上一个状态没有关系。所以贪心解决不了动态规划的问题。

对于动态规划问题,我将拆解为如下五步曲,这五步都搞清楚了,才能说把动态规划真的掌握了!

一般dp[i][j]表示我们要求的问题在第i,j步的时候的结果。

  1. 确定dp数组(dp table)以及下标的含义
  2. 确定递推公式
  3. dp数组如何初始化
  4. 确定遍历顺序
  5. 举例推导dp数组

做动规的题目,写代码之前一定要把状态转移在dp数组的上具体情况模拟一遍,心中有数,确定最后推出的是想要的结果。然后再写代码,如果代码没通过就打印dp数组,看看是不是和自己预先推导的哪里不一样。如果打印出来和自己预先模拟推导是一样的,那么就是自己的递归公式、初始化或者遍历顺序有问题了。如果和自己预先模拟推导的不一样,那么就是代码实现细节有问题

例子:通配符匹配

在给定的模式 p 中,只会有三种类型的字符出现:

  • 小写字母 az,可以匹配对应的一个小写字母;
  • 问号 ?,可以匹配任意一个小写字母;
  • 星号 ∗,可以匹配任意字符串,可以为空,也就是匹配零或任意多个小写字母。

动态规划问题dp[i][j]表示s的前i个字符和 p的前j个字符是否匹配。在进行状态转移时,我们可以考虑模式 p 的第 j 个字符 pj​,与之对应的是字符串 s 中的第 i 个字符si

class Solution:
    def isMatch(self, s: str, p: str) -> bool:
        m, n = len(s), len(p)

        dp = [[False] * (n + 1) for _ in range(m + 1)]
        dp[0][0] = True
        for i in range(1, n + 1):
            if p[i - 1] == '*':
                dp[0][i] = True
            else:
                break
        
        for i in range(1, m + 1):
            for j in range(1, n + 1):
                if p[j - 1] == '*':
                    dp[i][j] = dp[i][j - 1] | dp[i - 1][j]
                elif p[j - 1] == '?' or s[i - 1] == p[j - 1]:
                    dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1]
                
        return dp[m][n]

例子:求解最长字符串问题

对于一个子串而言,如果它是回文串,并且长度大于 2,那么将它首尾的两个字母去除之后,它仍然是个回文串。例如对于字符串“ababa”,如果我们已经知道“bab” 是回文串,那么“ababa” 一定是回文串,这是因为它的首尾两个字母都是“a”。

根据这样的思路,我们就可以用动态规划的方法解决本题。我们用P(i,j) 表示字符串 s 的第 i 到 j 个字母组成的串(下文表示成 s[i:j])是否为回文串:

这里的「其它情况」包含两种可能性:

  • s[i,j] 本身不是一个回文串;
  • i>j,此时s[i,j] 本身不合法。

那么我们就可以写出动态规划的状态转移方程:

P(i,j)=P(i+1,j−1)∧(Si​==Sj​)

也就是说,只有 s[i+1:j-1]s[i+1:j−1] 是回文串,并且 ss 的第 ii 和 jj 个字母相同时,s[i:j]s[i:j] 才会是回文串。

上文的所有讨论是建立在子串长度大于 2 的前提之上的,我们还需要考虑动态规划中的边界条件,即子串的长度为 1 或 2。对于长度为 1 的子串,它显然是个回文串;对于长度为 2 的子串,只要它的两个字母相同,它就是一个回文串。因此我们就可以写出动态规划的边界条件:

根据这个思路,我们就可以完成动态规划了,最终的答案即为所有 P(i,j)=true 中 ji+1(即子串长度)的最大值。注意:在状态转移方程中,我们是从长度较短的字符串向长度较长的字符串进行转移的,因此一定要注意动态规划的循环顺序。

class Solution:
    def longestPalindrome(self, s: str) -> str:
        n = len(s)
        if n < 2:
            return s
        
        max_len = 1
        begin = 0
        # dp[i][j] 表示 s[i..j] 是否是回文串
        dp = [[False] * n for _ in range(n)]
        for i in range(n):
            dp[i][i] = True
        
        # 递推开始
        # 先枚举子串长度
        for L in range(2, n + 1):
            # 枚举左边界,左边界的上限设置可以宽松一些
            for i in range(n):
                # 由 L 和 i 可以确定右边界,即 j - i + 1 = L 得
                j = L + i - 1
                # 如果右边界越界,就可以退出当前循环
                if j >= n:
                    break
                    
                if s[i] != s[j]:
                    dp[i][j] = False 
                else:
                    if j - i < 3:
                        dp[i][j] = True
                    else:
                        dp[i][j] = dp[i + 1][j - 1]
                
                # 只要 dp[i][L] == true 成立,就表示子串 s[i..L] 是回文,此时记录回文长度和起始位置
                if dp[i][j] and j - i + 1 > max_len:
                    max_len = j - i + 1
                    begin = i
        return s[begin:begin + max_len]

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