从暴力递归到动态规划-01

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最后:喜欢编程,对生活充满激情



本节内容预告

实例1:玩家选数问题

实例2:

实例3:

实例4:

实例5:



实例1:玩家选数问题

有一排正数,玩家A和玩家B都可以看到。
每位玩家在拿走数字的时候,都只能从最左和最右的数中选择一个。
玩家A先拿,玩家B再拿,两人交替拿走所有的数字,
两人都力争自己拿到的数的总和比对方多。请返回最后获胜者的分数。

例如:
5,2,3,4
玩家A先拿,当前他只能拿走5或者4。
如果玩家A拿走5,那么剩下2,3,4。轮到玩家B,此时玩家B可以选择2或4中的一个,…
如果玩家A拿走4,那么剩下5,2,3。轮到玩家B,此时玩家B可以选择5或3中的一个,…

思路1、递归: 暴力尝试

  自己分别作为先选人,后选人,查看收益最大
  无论是作为先选人,还是作为后选人,都是绝对理智的,每一次做出的选择都是最优的
  
  具体过程见代码详解
1_1_递归过程依赖图.png
/**
 * @description: 两人选数游戏
 * 思路1、递归: 暴力尝试
 * @version: 1.0
 */
public class Code_01_CardsInLine_1 {

    // 方式1、递归: 暴力尝试
    public static int win1(int[] arr) {
        if (arr == null || arr.length == 0) return 0;

        // 自己分别作为先选人,后选人,查看收益最大
        // 无论是作为先选人,还是作为后选人,都是绝对理智的,每一次做出的选择都是最优的
        return Math.max(first(arr, 0, arr.length - 1), second(arr, 0, arr.length - 1));
    }

    /*
        作为先选人,从 i 到 j 位置上获得的最大分数

        核心:我作为先选人每一次决策都是选择的最优的

        如:
        5 2 3 4
        那么我作为先选者一定最终做出的选择的是 (5 + 作为后选人最大分数)(4 + 作为后选人最大分数)中最大分数的
     */
    public static int first(int[] arr, int i, int j) {
        if (i == j) { // 只有一个数,同时作为先选人,当然返回这个唯一的数
            return arr[i];
        }

        // 选择左边数,然后自己变成了后选人
        // 从 i 到 j 位置上获得的最大分数 = 左边数 + 自己变为后选人从 i+1 到 j 位置上获得的最大分数
        int L = arr[i] + second(arr, i + 1, j);

        // 选择右边数,然后自己变成了后选人
        // 从 i 到 j 位置上获得的最大分数 = 右边数 + 自己变为后选人从 i 到 j-1 位置上获得的最大分数
        int R = arr[j] + second(arr, i, j - 1);

        // 返回自己选择左边数和选择右边数两种情况下,最大的分数
        return Math.max(L, R);
    }

    /*
        作为后选人,从i 到 j 位置上获得的最大分数

        核心:每一次都认为先选人做出的选择是最优的,留给自己的一定是最小的

        5 2 3 4
        先选人,选了 5 给自己留下 2 3 4 = 9
        先选人,选了 4 给自己留下 5 2 3 = 10

        先选人怎么可能那么好心让自己赢,我们都是绝对理智的人
        所以

        我作为后选人,悲催的只能在先选人选择后的区域选择我的数
        但是我现在也不知道那边的数大,需要计算才能知道先选人选择的到底是哪边的数?

        5 2 3 4
        先选人,选了 5 给自己留下 2 3 4 = 9
        先选人,选了 4 给自己留下 5 2 3 = 10

        通过计算发现,9 < 10 ,先选人既然是绝对理智的,那么他给我留下的就是最小的
        而我,只能从最小的那几个数中找最大的分数。

        由于先选人已经选择了,现在他退位到后选人,我上了先选人位置,即,我现在是先选人。

        总结: 我作为后选人做出什么样的决定,完全取决于先选人做出了什么决定,先选人扔给我的一定是最小的

     */
    public static int second(int[] arr, int i, int j) {
        if (i == j) { //只有一个数,自己作为后选人,自己前面有一个先选人,先选人选择后,剩下0个数可选
            return 0;
        }

        // 现在我是先选人,选择左边数
        int L = first(arr, i + 1, j);
        // 现在我是先选人,选择右边数
        int R = second(arr, i, j - 1);

        // 我只能从最小的区域中进行选择
        return Math.min(L, R);
    }
}

思路2:从暴力递归到动态规划

暴力递归其实就是一个暴力尝试过程,尝试每一种选择

缺点:重复的大量计算,而且这种重复计算随着样本量的增加而指数式增加,做了很多无用功

暴力递归到动态规划的一般步骤

动态规划:
   1、写出暴力尝试
   2、确定最终解,是什么点
   3、查看暴力尝试过程中的计算解,是否是完全无后效性的
   4、找到可以代替解的变量
   5、base case 给表赋值
   6、一般情况的依赖关系

根据题具体分析

   1、暴力尝试:win1()
   
   2、确定最终解:(0, N-1) 点
   
   3、win1() 中 f(arr, i, j)  arr 是固定值,f(i , j) 是无效性的
   
   4、可以用 i , j  表示解
   
   5、根据递归中的base case 来给表赋值(不变值,基本情况下的值,如本题 i==j 时)
   
   6、一般情况下的依赖关系
     first() (i,j) 依赖于second() 中的 (i+1, j) 和 (i, j-1)
     second() (i,j) 依赖于 first() 中的 (i+1,j) 和 (i, j-1)
1_2_fs依赖关系.png
import static cn.zqtao.learn.nowcode_other.day1.Code_01_CardsInLine_1.win1;

/**
 * @description: 两人选数游戏
 * 思路2:从暴力递归到动态规划
 * <p>
 * 暴力递归其实就是一个暴力尝试过程,尝试每一种选择
 * 缺点:重复的大量计算,而且这种重复计算随着样本量的增加而指数式增加,做了很多无用功
 * <p>
 * 动态规划:
 * 1、写出暴力尝试
 * 2、确定最终解,是什么点
 * 3、查看暴力尝试过程中的计算解,是否是完全无后效性的
 * 4、找到可以代替解的变量
 * 5、base case 给表赋值
 * 6、一般情况的依赖关系
 * <p>
 * 1、暴力尝试:win1()
 * 2、确定最终解:(0, N-1) 点
 * 3、win1() 中 f(arr, i, j)  arr 是固定值,f(i , j) 是无效性的
 * 4、可以用 i , j  表示解
 * 5、根据递归中的base case 来给表赋值(不变值,基本情况下的值,如本题 i==j 时)
 * 6、一般情况下的依赖关系
 *      first() (i,j) 依赖于second() 中的 (i+1, j) 和 (i, j-1)
 *      second() (i,j) 依赖于 first() 中的 (i+1,j) 和 (i, j-1)
 * <p>
 * <p>
 * 暴力尝试可以使用表进行表示
 * dpf 可以保存所有 first() 的所有情况
 * dps 可以保存所有 second() 的所有情况
 * <p>
 * first() 中
 * @version: 1.0
 */
public class Code_02_CardsInLine_2 {

    public static int win2(int[] arr) {
        if (arr == null || arr.length == 0) return 0;

        // 保存各种状态
        int[][] dpf = new int[arr.length][arr.length];
        int[][] dps = new int[arr.length][arr.length];

        for (int j = 0; j < arr.length; j++) {

            dpf[j][j] = arr[j]; // first() 中 base case 中 i==j 情况赋值
//            dps[j][j] = 0; // second() 中 base case 中 i==j 情况,由于Java是自动给数组初始化为0 的所以可以忽略

            for (int i = j - 1; i >= 0; i--) {
                // 一般情况依赖关系
                // first() (i,j) 依赖于second() 中的 (i+1, j) 和 (i, j-1)
                dpf[i][j] = Math.max(arr[i] + dps[i + 1][j], arr[j] + dps[i][j - 1]);

                // second() (i,j) 依赖于 first() 中的 (i+1,j) 和 (i, j-1)
                dps[i][j] = Math.min(dpf[i + 1][j], dpf[i][j - 1]);
            }

        }
        return Math.max(dpf[0][arr.length - 1], dps[0][arr.length - 1]);
    }


    public static int[] generateRandomArr(int maxSize, int maxValue) {
        int[] arr = new int[(int) (Math.random() * (maxSize + 1))];
        return arr;
    }

    public static void main(String[] args) {
        int maxSize = 5;
        int testTime = 50000;

        for (int i = 0; i < testTime; i++) {
            int[] arr = generateRandomArr(maxSize, 20);
            int r1 = win1(arr);
            int r2 = win2(arr);
            if (r1 != r2) {
                System.out.println("error");
            }
        }
    }
}
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