动态规划的数学本质以及通用解法

很多算法或者面试题中都会涉及到:动态规划 的问题。 动态规划从数学的角度来看,就是存在一个有n个元素的集合A。这个集合可以构建出2^n-1种组合的集类:

P(A)= ⎨Si|Si⊆A⎬ i=1...2^n-1

问题的解决就是要找出满足条件的子集Si来。 反过来说,我们可以遍历集类中的每个子集,然后判断这个子集是否满足问题条件,如果满足则对子集进行处理,最后再得出最优解。这种方法的时间复杂度为O(2^n),虽然不是最佳解决方案确是最通用的暴力解决方案。

按照上述规则实现通用解法可以按如下步骤(本文用OC语言实现,其他语言可参考):

1. 遍历集类中的所有子集

可以通过递归的方法来实现子集的遍历,代码如下:

/**
  array:指定要处理的集合
  start:最开始取元素的位置
  subArray: 保存遍历得到的子集。
*/
void dynamicProgram(NSArray *array, NSInteger start, NSMutableArray *subArray) {
    
    //递归调用分别生成集类中的子集。
    NSInteger count = array.count;
    for (NSInteger i = start; i < count; i++) {
        [subArray addObject:array[i]];
        
        //这里的subArray就是集类中的一个子集。
        
        //进行递归调用
        dynamicProgram(array, i + 1, subArray);
        [subArray removeLastObject];
    }
    
    //调用的方法的示例如下:
    dynamicProgram(@[@1,@2,@3,@4], 0, [@[] mutableCopy]);

2. 对每个子集进行条件判断和处理

上述的代码中生成了一个通用的遍历子集的方法。为了让代码更加通用,我们可以分别加入一个条件过滤器和处理器来让调用者做自定义处理,同时为了保存每次处理的结果我们可以加入一个自定义上下文信息来保存扩展参数。因此上述的代码改进如下:


//辅助函数。
static void dynamicProgramHelper(NSArray *array, void *ctx, NSInteger start, NSMutableArray *subArray, NSInteger * subIndexs, BOOL(^filter)(NSArray *subArray, NSInteger *subIndexs, void *ctx), BOOL(^handler)(NSArray *subArray, void* ctx) ) {
    
    //递归调用分别生成集类中的子集。
    NSInteger count = array.count;
    NSInteger subCount = subArray.count;
    for (NSInteger i = start; i < count; i++) {
        //保存子集中元素在集合中的索引。
        subIndexs[subCount] = i;
        [subArray addObject:array[i]];
        if (filter(subArray, subIndexs, ctx)) {
            if (!handler(subArray,ctx)) {
                break;
            }
        }
        dynamicProgramHelper(array, ctx, i + 1, subArray, subIndexs, filter, handler);
        [subArray removeLastObject];
    }
}

/**
 array:指定要处理的集合
 ctx: 保存上下文信息
 filter: 指定条件过滤器,入参为:子集、子集元素在全集中的索引数组、上下文。 如果满足条件则返回true表明会进行计算处理,否则返回false.
 handler: 指定处理器,入参为:子集、上下文。如果已经得到最佳结果则返回false表明终止处理,否则返回true继续处理。
 */
void dynamicProgram(NSArray *array, void *ctx, BOOL(^filter)(NSArray *subArray, NSInteger *subIndexs, void *ctx), BOOL(^handler)(NSArray *subArray, void *ctx) ) {
    
    NSMutableArray *subArray = [NSMutableArray new];
    NSInteger *subIndexs = malloc(sizeof(NSInteger)*array.count);
    dynamicProgramHelper(array, ctx, 0, subArray, subIndexs, filter, handler);
    free(subIndexs);
}

上面的通用算法中我们将动态规划的处理分解为了条件和计算,条件是用来判断是否满足计算的要求,计算则对满足条件的每个子集进行计算。所以如果能将所有问题都分为条件和计算的话那么问题就好解决了。接下来我们将用上面的动态规划通用算法来解决几个经典的问题:

1.小偷问题

分析这个问题可以看出:条件是房子不能相邻,也就是索引值不能相差1。计算是求最大的金额。因此实现代码如下:

//保存最大的金额,作为上下文参数。
NSInteger maxSum = 0;
dynamicProgram(@[@2,@7,@9,@3,@1], &maxSum, ^BOOL(NSArray *subArray, NSInteger *subIndexs, void *ctx) {
        
        //条件是:房子不能相邻,因此判断的方法就是子数组的索引是不能相连的。
        //算法是:如果两个索引之间相差1则表明不满足条件。
       NSInteger index = subIndexs[0];
        for (NSInteger i = 1; i < subArray.count; i++) {
            if (index == subIndexs[i] - 1) {
                return NO;
            }
            index = subIndexs[i];
        }
        return YES;
        
    }, ^BOOL(NSArray *subArray, void *ctx) {
        
        //计算当前子集的金额之和
        NSInteger sum = 0;
        for (NSNumber *num in subArray) {
            sum += num.integerValue;
        }
        //判断是否是最大,如果不是则修改最大值
        NSInteger *pmaxSum = (NSInteger*)ctx;
        if (sum > *pmaxSum) {
            *pmaxSum = sum;
        }
        return YES;
    });
    
    NSLog(@"偷到的最大的金额是:%ld",maxSum);

2.最大子序列和

分析这个问题可以看出:条件是位置要相邻,也就是说索引值之间必须相差1。计算是求最大的值。可以看出这个问题就是上面小偷问题具有相反条件,相同的计算。因此实现代码如下:


NSInteger maxSum = 0;
dynamicProgram(@[@-2,@1,@-3,@4,@-1,@2,@1,@-5,@4], &maxSum, ^BOOL(NSArray *subArray, NSInteger *subIndexs, void *ctx) {
        
        //条件是:位置必须相邻,因此判断的方法就是子数组的索引是相邻的。
        //算法是:如果两个索引之间不相差1则表明不满足条件。
       NSInteger index = subIndexs[0];
        for (NSInteger i = 1; i < subArray.count; i++) {
            if (index != subIndexs[i] - 1) {
                return NO;
            }
            index = subIndexs[i];
        }
        return YES;
        
    }, ^BOOL(NSArray *subArray, void *ctx) {
        
        //计算当前子集的之和
        NSInteger sum = 0;
        for (NSNumber *num in subArray) {
            sum += num.integerValue;
        }
        //判断是否是最大,如果不是则修改最大值
        NSInteger *pmaxSum = (NSInteger*)ctx;
        if (sum > *pmaxSum) {
            *pmaxSum = sum;
        }
        
        return YES;
        
    });
    
    NSLog(@"最大子序列之和:%ld",maxSum);
    

3.硬币组合问题

这个问题中如果硬币的类型是1,2,5,然后总额是11元。所以组成的数组应该是:[1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,2,2,2,2,2,5,5]。 条件就变为子集的金额数量加起来必须是等于11。计算的就是得到最小数量的子集。所以代码如下:


NSArray *coins = @[@1,@1,@1,@1,@1,@1,@1,@1,@1,@1,@1,@2,@2,@2,@2,@2,@5,@5];
    //开始时最小的数量为全集。
    NSMutableArray *minCoins = [coins mutableCopy];
    
    dynamicProgram(coins, (__bridge void *)(minCoins), ^BOOL(NSArray *subArray, NSInteger *subIndexs, void *ctx) {
        
        //条件是元素的和必须要等于11元。
        NSInteger sum = 0;
        for (NSNumber *num in subArray) {
            sum += num.integerValue;
        }
        return sum == 11;
        
    }, ^BOOL(NSArray *subArray, void *ctx) {
        
        //比较数量,取最小数量的。
        NSMutableArray *minCoins = (__bridge NSMutableArray *)(ctx);
        if (minCoins.count > subArray.count) {
            [minCoins setArray:subArray];
        }
        
        return YES;
    });
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 211,884评论 6 492
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 90,347评论 3 385
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 157,435评论 0 348
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 56,509评论 1 284
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 65,611评论 6 386
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 49,837评论 1 290
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 38,987评论 3 408
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 37,730评论 0 267
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 44,194评论 1 303
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 36,525评论 2 327
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 38,664评论 1 340
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 34,334评论 4 330
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 39,944评论 3 313
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 30,764评论 0 21
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 31,997评论 1 266
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 46,389评论 2 360
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 43,554评论 2 349

推荐阅读更多精彩内容