编辑距离的动态规划解

转载自:https://blog.csdn.net/pipisorry/article/details/46383947

编辑距离的动态规划解

问题描述

给定 2 个字符串 a, b. 编辑距离是将 a 转换为 b 的最少操作次数,操作只允许如下 3 种:

插入一个字符,例如:fj -> fxj

删除一个字符,例如:fxj -> fj

替换一个字符,例如:jxj -> fyj

思路

用分治的思想解决比较简单,将复杂的问题分解成相似的子问题。

假设字符串 a, 共 m 位,从a[1]到a[m]

字符串 b, 共 n 位,从b[1]到b[n]

d[i][j]表示字符串a[1]-a[i]转换为b[1]-b[j]的编辑距离。

那么有如下递归规律(a[i]和b[j]分别是当前要计算编辑距离的子字符串 a 和 b 的最后一位):

当a[i]等于b[j]时,d[i][j] = d[i-1][j-1], 比如 fxy -> fay 的编辑距离等于 fx -> fa 的编辑距离

当a[i]不等于b[j]时,d[i][j]等于如下 3 项的最小值:

d[i-1][j]+ 1(删除a[i](删除等价于插入操作,相当于插入b中插入a[i[)),比如 fxy -> fab 的编辑距离 =  fx -> fab 的编辑距离 + 1

d[i][j-1]+ 1(删除 b[j]或者插入b[j]),比如 fxy -> fab 的编辑距离 = fxyb -> fab 的编辑距离 + 1= fxy -> fa 的编辑距离 + 1

d[i-1][j-1]+ 1(将a[i]b[j]同时删除(等价于交换操作)),比如 fxy -> fab 的编辑距离 = fxb -> fab 的编辑距离 + 1 = fx -> fa 的编辑距离 + 1

递归边界:

a[i][0] = i, b 字符串为空,表示将a[1]-a[i]全部删除,所以编辑距离为 i

a[0][j] = j, a 字符串为空,表示 a 插入b[1]-b[j],所以编辑距离为 j

非动态规划的递归代码

按照上面的思路将代码写下来

intedit_distance(char*a,char*b,inti,intj){if(j ==0) {returni;    }elseif(i ==0) {returnj;// 算法中 a, b 字符串下标从 1 开始,c 语言从 0 开始,所以 -1}elseif(a[i-1] == b[j-1]) {returnedit_distance(a, b, i -1, j -1);    }else{returnmin_of_three(edit_distance(a, b, i -1, j) +1,                            edit_distance(a, b, i, j -1) +1,                            edit_distance(a, b, i -1, j -1) +1);    }}edit_distance(stra, strb,strlen(stra),strlen(strb));

但是有个严重的问题,就是代码的性能很低下,时间复杂度是指数增长的。

上面的代码中,很多相同的子问题其实是经过了多次求解,解决这类问题的办法是用动态规划。

用动态规划思想优化时间复杂度

像以上解决思路,是从后往前算的,比如我想知道edit_distance(a, b, i, j)我可能需要知道edit_distance(a, b, i-1, j-1)。

如果从前往后算,先算出各个子问题,然后根据子问题,计算出原问题,对于这个问题性能不错。

例如以字符串 a = "fxy", b = "fab" 为例:

首先建立一个矩阵,用来存放子问题及原问题的编辑距离,并将递归边界在矩阵中填好

然后计算 i = 1, j = 1 所对应的编辑距离:比较a[i]和b[j]是否相等然后根据递归规律算出这个值

比如在这种情况下a[i] = f和b[j] = f, 那么d[i][j]就等于d[i-1][j-1]等于 0

然后计算 i = 1, j = 2 直到算出 i = 3, j = 3, 原问题的编辑距离就等于d[3][3]

即要计算d[i][j]只需要知道3个位置上的值。

现在的时间复杂度已到了可接受范围,为 O(mn)。

代码如下:


这个算法的空间复杂度为 O(mn), 当一步步填写矩阵的过程中,应该能够感受到,空间复杂度可以继续优化,因为计算矩阵某位置值的时候总是需要有限的量,同一时间并不需要所有矩阵的值。

根据具体问题优化空间复杂度

还是以 a = "fxy", b = "fab" 为例,例如计算d[1][3], 也就是下图中的绿色方块,我们需要知道的值只需 3 个,下图中蓝色方块的值

进一步分析,我们知道,当计算d[1]这行的时候,我们只需知道d[0]这行的值,同理我们计算当前行的时候只需知道上一行就可以了。

再进一步分析,其实我们只需要一行就可以了,每次计算的时候我们需要的 3 个值,其中上边和左边的值我们可以直接得到,坐上角的值需要临时变量(如下代码使用 old)来记录。

代码如下:

intedit_distance(char*a,char*b){intlena =strlen(a);intlenb =strlen(b);intd[lenb+1];inti, j, old, tnmp;for(j =0; j <= lenb; j++) {        d[j] = j;    }for(i =1; i <= lena; i++) {        old = i -1;        d[0] = i;for(j =1; j <= lenb; j++) {            temp = d[j];// 算法中 a, b 字符串下标从 1 开始,c 语言从 0 开始,所以 -1if(a[i-1] == b[j-1]) {                d[j] = old;            }else{                d[j] = min_of_three(d[j] +1, d[j-1] +1, old +1);            }            old = temp;        }    }returnd[lenb];}

写代码的过程中需要注意的一点就是,当一行计算好之后开始下一行的时候,要初始化old和d[0]的值

优化过后时间复杂度还是 O(mn), 空间复杂度可以写成 O(min(m,n))。

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