细解动态规划（一）

 

 

概述

 

　　动态规划我们在工作中会经常用到，有时候你会有这个意识，而且我相信你在项目中肯定使用过，只是你不了解这种方式是“动态规划”而已。它最大的特点就是“空间换时间“。

 

　　如果你想大致了解下，你可以直接略过细节，直接看“使用动态规划方法求解最优钢条切割问题”这一部分。细节部分，只是使用案例和数学公式教大家怎么去思考问题。

 

 

举例

　　

 

　　A公司购买长钢条，将其切割为短钢条出售（切割工序本身没有成本支出），A公司想知道最佳的切割方案。

　　假定：给定一段长度为n米的钢条。长度与价格的关系为：i米的钢铁价格为p _i(i=1, 2, ...)元。

　　求：切割钢条方案，使得销售收益γ _n最大。

　　价格表的样例如下：

 

      

 

 

问题分析

 　　思路：通过假设法，寻找数据间的关系，进行建模。 

 

寻找数据间的关系1:

假设n=4，穷举所有的切割方式，找到最佳的切割方案。

不切（0刀）：最高9元

1刀：最高10元

 

2刀：最高7元

 

3刀：最高4元

 

 

 从上面的图分析得出

　　1） n米的钢条共有2 ^n-1种切割方案。

　　2）最优策略方案为：将钢条切割为两段长度均为2米的钢条，总价值为10。

 

用数学符号开始演练：（我们用加法符号表示切割，如  7 = 2 + 2 + 3，表示为长度7米的钢条切割段数为3段，每段分别为：2米、2米、3米。）

 

k为最优切割钢条方案中的段数，p _i为i米钢条的价格，钢条切割的最大收益为γ _n：

 

 

寻找数据间的关系2:

 

根据价格表样例，寻找到所有最优收益值及对应的最优切个方案：

 

 

观察数据：（总长为5米的钢材最优收益是：2米刚才最优收益+3米钢材最优收益加和。）

 

 

 

从上述表，我们可以得出：对于γ_n(n>= 1)，我们可以用更短的钢条的最优切割收益来描述它：

 

对于每个i=1、2、...、n-1，方案步骤如下：

　　1）将钢条切割为长度为i和n-i的两段；

　　2）求解这两段的最优切割收益γ_i和γ_n-i。——每种方案的最优收益为两段的最优收益之和。

由于无法预知那种方案会获得最优收益，我们必须考察所有可能的i，选取其中收益最大者。

 

　　 最优子结构：为了求解规模为n的原问题，我们先求解形式完全一样，规模更小的子问题。通过组合两个相关子问题的最优解，并在所有可能的两段切割方案中选取组合收益最大者，构成原问题的最优解。

 

　　我们称钢条切割问题满足 最优子结构性质：问题的最优解由相关子问题的最优解组合而成，而这些子问题可以独立求解。

 

 

求解简化版本

 

原有方式：

简化版本：钢条从左边切割下长度为i的一段，对左边的一段i不再进行切割，只对右边剩下的长度为n-i的一段继续进行切割（采用了一种自顶向下的递归方式）

 

递归方法CUT-ROD如下：

 

 

分析CUT-ROD：实际运行中，你会发现CUT-ROD的效率很差。因为CUT-ROD反复地用相同的参数值对自身进行递归调用，即它反复求解相同的子问题，如下图所示：

 

CUT-ROD的运行时间为n的指数，时间复杂度如下：

 

 

使用 动态规划方法求解最优钢条切割问题

 

　　动态规划方法的核心思想是：对每个子问题只求解一次，并将结果保存下来。如果随后再次需要此子问题的解，只需查找保存的结果，而不必重新计算。因此，动态规划方法是付出额外的内存空间来节省计算时间，是典型的时空权衡的例子。

 

　　方法1：带备忘的自顶向下法。此方法扔按自然的递归形式编写，但过程会保存每个子问题的解（通常保存在数组或散列中）。当需要一个子问题解时，过程首先检查是否已保存过此解，无则计算，有则返回。

 

　　方法2：自底向上法。将子问题按规模排序，按由小至大顺序求解。当求解某个子问题时，它所依赖的那些更小的子问题都已求解完毕，结果已保存。每个子问题只需求解一次，当我们求解它时，它的所有前提子问题都已经求解完成。

 

 

 

 

子问题图

 

 　　当思考一个动态规划问题时，我们应该弄清所涉及的子问题及子问题之间的依赖关系。

　　

　　上面举得n=4时，钢条切割问题的子问题图如下：这是递归调用树的简化版，树中标号相同的节点收缩为图中的单一顶点，所有边均从父节点指向子节点。

　　

上面的图中，我们可以把每个顶点向量化，标记为(x,y)。这个表示求解x的问题时候，我们需要子问题y的解。

 

 

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