动态规划算法-最长公共子序列和最优二叉查找树

一、         最长公共子序列

1. 问题

通过比较公共子序列的长度来判断两个序列是否相似，如ABCBCDA和ACBCCAD的最长公共子序列为ABCCD。

现在有两个序列和，找出X和Y的最长公共子序列（LCS）。

2. 子问题拆分

这个问题就是求所有公共序列，然后找出最长的那个，而如何计算序列的长度，就是一个递归的过程了，公式如下：

 

    这个问题是几个动态规划问题中最好理解的一个，是一个二维遍历标记的过程，最后再遍历一遍标记就能获得结果，不再赘述，直接看伪代码。

3. 伪代码

LCS-LENGTH(X, Y)
    m <- length[X]
    n <- length[Y]
    for i <- 1 to m
        c[i, 0] <- 0
    for j <- 0 to n
        c[0, j] <- 0
    
    for i <- 1 to m
        for j <- 1 to n
            if x[i] = y[i]
                c[i, j] = c[i-1, j-1] + 1
                b[i, j] <- "\"
            else if c[i-1, j] >= c[i, j-1]
                c[i, j] = c[i-1, j]
                b[i, j] <-"|"
            else
                c[i, j] = c[i, j-1]
                b[i, j] <- "-"
return b and c

PRINT-LCS(b, X, i, j)
    n = 0
    l = 0
    for k <- j downto 1
        if n[i, k] > n
            l = k    
    while(i != 0 and l != 0)
        if b[i, l] = "\"
            print X[i]
            i = i - 1
            l = l - 1
        else if b[i, j] = "|"
            i = i - 1
        else
            l = l - 1

4.代码

二、         最优二叉查找树

一篇包含很多文字的文章，遍历整篇文章，在一棵包含所有文字（包括文章内的和文章外的字）的二叉树中查找对应的字，计算出总的查找次数，最优二叉查找树就是为了获取总查找最少次数（也就是求查找次数的期望值最小）这类问题而设计的算法。

1. 问题

假设一个文章有s个文字，其中共有n个不同的文字，且已经按拼音排序 ，每个文字搜索的概率为，由于有某些文字不在该篇文章中，所以还会有n+1个虚拟文字 ，对应的概率为，代表所有小于的值，表示所有大于的值，所有的概率： ，一次搜索的期望代价为

 

表：每个文字对应的概率

i	0	1	2	3	4	5
pi		0.15	0.10	0.05	0.10	0.20
qi	0.05	0.10	0.05	0.05	0.05	0.10

2. 子问题拆分

使用子结构的最优解来构造原问题的最优解。

为到的概率总和，那么到的期望代价为

进一步计算出：

最终推导出递归公式：

 

3. 伪代码

OPTIONAL-BST(p, q, n)
    for i <- 1 to n + 1
        e[i, i - 1] <- q[i - 1]
        w[i, i - 1] <- q[i - 1]
    
    for l <- 1 to n
        for i <- 1 to n - l + 1
            j = i + l - 1
            e[i, j] <- 0X7FFFFFFF
            w[i, j] <- w[i, j - 1] + p[j] + q[j]

            for r <- i to j
                t <- e[i, r - 1] + w[i, j] + e[r + 1, j]
                if t < e[i, j]
                    e[i, j] <- t
                    root[i, j] <- r
return e and root
PRINT-BST(root, n, i, j)
    if j = n and i = 1
        print "root is " root[i, j]
    if i < j
        if i <= root[i,j] - 1
            print "k" root[i, root[i,j]-1] "is left of " root[i,j]
            PRINT-BST(root, n, i, root[i,j]-1)
        if root[i,j] + 1<= j
            print "k" root[root[i,j]+1, j] "is right of " root[i,j]
            PRINT-BST(root, n, root[i,j]+1, j)
    else if i = j    //叶子节点
        print "d" root[i, j] - 1 "is left of" root[i, j]
        print "d" root[i, j] "is right of" root[i, j]
    else            //k仅有一个左子节点为k时
        print "d" j "is right of k" j

说明：PRINT-BST有点复杂，在此稍加讲解，当打印整个树时，i应该为1，而j应该为n，即树的实际节点数（不包括虚拟节点）。root[i,j]表示在 到 之间的根，其中的值代表k的下表，我们通过OPTIONAL-BST获得的root数组：

	j=1	j=2	j=3	j=4	j=5
i=1	1	1	2	2	4
i=2		2	2	2	4
i=3			3	4	5
i=4				4	5
i=5					5

第一次进入时，i=1，j=5，root[i,j]=2，说明在 到 之间k2为根，然后再找i到2-1之间的根作为根的左节点，同样，2+1到j的根作为根的右节点，然后递归计算，就能获取到树的结构了。

4. 代码

#include <iostream>
using namespace std;
#define MAX 65536

double p[6] = {0.00,0.15,0.10,0.05,0.10,0.20};
double q[6] = {0.05,0.10,0.05,0.05,0.05,0.10};
void optimal_bst(float e[][6],int root[][6],float w[][6],int n)
{
    int i = 0,j = 0;

    for (i = 1; i <= n + 1; i++)
    {
        e[i][i - 1] = q[i - 1];
        w[i][i - 1] = q[i - 1];
    }
    int l = 0;
    for (l = 1; l <= n; l++)
    {
        for (i = 1; i <= n - l + 1; i++)
        {
            j = i + l - 1;
            e[i][j] = MAX;
            w[i][j] = w[i][j - 1] + p[j] + q[j];
            for (int r = i; r <= j; r++)
            {
                double t = 0;
                t = e[i][r - 1] + e[r + 1][j] + w[i][j];
                if (t < e[i][j])
                {
                    e[i][j]= t;
                    root[i][j] = r;
                }
            }    
        }
    }  
}

void print_bst(int root[][6], int n, int i, int j)
{
    int newI, newJ;
    if((i == 1)&&(j == n))
        cout<<"K["<<root[i][j]<<"]"<<" is the root"<<endl;
     if (i < j)
     {
        newI = root[i][j] - 1;
        newJ = root[i][j] + 1;
          if(i <= newI)
               cout<<"k["<<root[i][newI]<<"]"<<" is the left child of k["<<root[i][j]<<"]"<<endl;
          print_bst(root,n, i,root[i][j] - 1);
          if(newJ <= j)
               cout<<"K["<<root[newJ][j]<<"]"<<" is the right child of K["<<root[i][j]<<"]"<<endl;
          print_bst(root,n, root[i][j] + 1,j);
       }
     if (i == j)
     {
          cout<<"d["<<i - 1<<"]"<<" is left child of k["<<i<<"]"<<endl;
          cout<<"d["<<i<<"]"<<" is right child of k["<<i<<"]"<<endl;
     }
     if(i > j)
          cout<<"d["<<j<<"]"<<" is right child of k["<<j<<"]"<<endl;
}

int main()
{
    float e[7][6];
    int root[6][6];
    float w[6][6];
    memset(e, 0, 7*6*sizeof(float));
    memset(w, 0, 6*6*sizeof(float));
    memset(root, 0, 6*6*sizeof(int));

    optimal_bst(e,root,w,5);
    for(int i = 1; i <= 5; i++){
        for(int j= 1; j <= 5; j++)
            cout<<root[i][j]<<" ";
        cout<<endl;
    }
    cout<<endl;
    for(int i = 1; i <= 6; i++){
        for(int j= 0; j <= 5; j++)
            cout<<e[i][j]<<" ";
        cout<<endl;
    }
    cout<<endl;
    print_bst(root,5,1,5);
    return 0;
}