什么样的问题适合用动态规划来解决呢?换句话说,动态规划能解决的问题有什么规律可循呢?实际上,动态规划作为一个非常成熟的算法思想,很多人对此已经做了非常全面的总结。我把这部分理论总结为“一个模型三个特征”。
一个模型
它指的是动态规划适合解决的问题的模型。我把这个模型定义为“多阶段决策最优解模型”。
我们一般是用动态规划来解决最优问题。而解决问题的过程,需要经历多个决策阶段。每个决策阶段都对应着一组状态。然后我们寻找一组决策序列,经过这组决策序列,能够产生最终期望求解的最优值。
三个特征
- 最优子结构:最优子结构指的是,问题的最优解包含子问题的最优解。反过来说就是,我们可以通过子问题的最优解,推导出问题的最优解。如果我们把最优子结构,对应到我们前面定义的动态规划问题模型上,那我们也可以理解为,后面阶段的状态可以通过前面阶段的状态推导出来。
- 无后效性:无后效性有两层含义,第一层含义是,在推导后面阶段的状态的时候,我们只关心前面阶段的状态值,不关心这个状态是怎么一步一步推导出来的。第二层含义是,某阶段状态一旦确定,就不受之后阶段的决策影响。无后效性是一个非常“宽松”的要求。只要满足前面提到的动态规划问题模型,其实基本上都会满足无后效性。
- 重复子问题:这个概念比较好理解。如果用一句话概括一下,那就是,不同的决策序列,到达某个相同的阶段时,可能会产生重复的状态。
两种动态规划解题思路
1. 状态转移表法
一般能用动态规划解决的问题,都可以使用回溯算法的暴力搜索解决。所以,当我们拿到问题的时候,我们可以先用简单的回溯算法解决,然后定义状态,每个状态表示一个节点,然后对应画出递归树。从递归树中,我们很容易可以看出来,是否存在重复子问题,以及重复子问题是如何产生的。以此来寻找规律,看是否能用动态规划解决。
找到重复子问题之后,接下来,我们有两种处理思路,第一种是直接用回溯加“备忘录”的方法,来避免重复子问题。从执行效率上来讲,这跟动态规划的解决思路没有差别。第二种是使用动态规划的解决方法,状态转移表,也是今天的重点。
状态转移表法是如何工作的?我们可以先画出一个状态表。状态表一般都是二维的,所以你可以把它想象成二维数组。其中,每个状态包含三个变量,行、列、数组值。我们根据决策的先后过程,从前往后,根据递推关系,分阶段填充状态表中的每个状态。最后,我们将这个递推填表的过程,翻译成代码,就是动态规划代码了。
尽管大部分状态表都是二维的,但是如果问题的状态比较复杂,需要很多变量来表示,那对应的状态表可能就是高维的,比如三维、四维。那这个时候,我们就不适合用状态转移表法来解决了。一方面是因为高维状态转移表不好画图表示,另一方面是因为人脑确实很不擅长思考高维的东西。
状态转移表法解题思路大致可以概括为,回溯算法实现 - 定义状态 - 画递归树 - 找重复子问题 - 画状态转移表 - 根据递推关系填表 - 将填表过程翻译成代码。
2. 状态转移方程
状态转移方程法有点类似递归的解题思路。我们需要分析,某个问题如何通过子问题来递归求解,也就是所谓的最优子结构。根据最优子结构,写出递归公式,也就是所谓的状态转移方程。有了状态转移方程,代码实现就非常简单了。一般情况下,我们有两种代码实现方法,一种是递归加“备忘录”,另一种是迭代递推。
min(i, j) = w[i][j] + min(min(i, j-1), min(i-1, j))
上面的方程就是状态转移方程,如果我们能写出状态转移方程,那动态规划问题基本上就解决一大半了,而翻译成代码非常简单。但是很多动态规划问题的状态本身就不好定义,状态转移方程也就更不好想到。状态转移方程是解决动态规划的关键。
状态转移方程法的大致思路可以概括为,找最优子结构 - 写状态转移方程 - 将状态转移方程翻译成代码。
最后
不是每个问题都同时适合这两种解题思路。有的问题可能用第一种思路更清晰,而有的问题可能用第二种思路更清晰,所以,你要结合具体的题目来看,到底选择用哪种解题思路。