动态规划

Rod Cutting

有一段长的钢管,根据市场需求,钢管可以切成1m,2m,3m,4m出售,每种尺寸的钢管价格不同,如果有一段10m长的钢管,如何切割可以使利益最大化呢?如下图所示:

rod-cutting.png

我们可以想到用分治的办法解决,例如,切一刀,递归去找余下长度的最优,切两刀,递归去找余下长度的最优,一次类推,这是一个指数级增长的计算量。

rod-cut-2.png

上述不是一个好办法,怎么优化呢?我们可以依次去找切成1块的最优、两块的最优、三块最优,以此类推,并将此记录下来,如下表所示。然后在求余下的最优,看记录表有没有此长度的记录,有的话直接获取,没有的话在去计算。

长度 最优切割方式 价值
1 不切 1
2 不切 5
3 不切 8
... ... ...
rod-cut-3.png

Sequence Matching

在生物学中,人类DNA由4个碱基组成:腺嘌呤(A),胸腺嘧啶(T),鸟嘌呤(G),胞嘧啶(C)。如果想判断两段DNA相似程度,可以通过编辑距离(edit distance)来判定,即一个字符串通过删除、修改转变为另外一个字符串,已知每种操作的成本如下:

动态规划4.png

上图中左边的编辑距离是8,右边的是7.

在每次匹配中,我们都可以执行两种操作:1.当前字符匹配(相等成本为0,修改为1);2.删除其中一个字符(成本为2)。参考如下示例:

动态规划5.png

在解决此问题中,因为每次匹配都会涉及到重复的计算,我们可以把已匹配的结果,存储下来方便复用。比如上图中,我们知道了两字符串后两位的最优编辑距离是1,并且知道了其他操作的编辑距离,方便后面复用。

动态规划6.png

我们将两个字符串变成了2维矩阵,中间的每一个格代表两字符串的编辑距离(从后向前)。比如“CC”和“A”的编辑距离是3,即C和A进行修改成本为1,删除最后的C成本为2. 再比如“AACAGTTACC”和“”编辑距离是20,即进行了10次删除操作,变为空串。计算公式如下:

动态规划7.png

上述公式表明匹配到当前字符串S1[i: ]和S2[j: ]时,可以删除某一字符串的字符(成本为2)然后加上已经计算过的两字符串的编辑距离;或当前字符进行匹配(成本:相同为0,修改为1)然后加上已经计算过的两字符串的编辑距离。

两字符串完整的编辑距离如下图所示,我们可以找到最优的匹配方式:首先是A和T匹配,然后是A和A匹配,然后删除掉行字符串的C,然后A和A匹配,依次类推。

动态规划8.png

参考

CS50

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