动态规划方法--0-1背包问题&最长公共子串&最长公共子序列

一、动态规划方法—基本概念

　　1、解决多阶段决策过程最优化的一种数学方法

　　2、1951年美国数学家贝尔曼等人根据多阶段决策问题的特点，把多阶段决策问题变换为一系列互相联系的单阶段问题，然后逐个加以解决，即提出了动态规划这个方法

　　3、基本概念：阶段、状态、决策、策略、状态转移方程、指标函数和最优值函数

　　4、基本思想：从边界条件开始，逐段递推寻优，在每一个子问题的求解中，均利用了它前面的子问题的最优化结果，依次进行，最后一个子问题所得的最优解，就是整个问题的最优解

　　5、基本方程式—难点：从实际问题中求得基本方程式，即抽象出动态规划表dp，dp一般是一个数组，可能是一维的也可能是二维的，也可能是其他的数据结构，以空间换取时间的算法

　　6、由于初始状态是已知的，每阶段的决策都是该段状态的函数，故最优策略所经过的各阶段状态便可逐次变换得到，从而确定最优路线

　　7、最优化原理，也就是最优子结构性质。这指的是一个最优化策略具有这样的性质，无论过去状态和决策如何，对前面的决策所形成的状态而言，余下的决策必须构成最优策略，简单来说就是一个最优化策略的子策略总是最优的，如果一个问题满足最优化原理，就称其有最优子结构性质。

二、0-1背包问题

　　问：一个背包承重Wkg，有n(1,2......n)件物品。已知第件物品的重量为kg，价值是，每件物品只能选择要装入还是不装入背包，要求在不超过背包承重的前提下，选出的物品总价值最大

　　分析：假设表示第x件物品，不超过重量y的时候的最大价值，则第x件物品的情况：

　　　　情况1：如果选择了第x件物品，则前x-1件物品的重量不能超过，此时

　　　　情况2：如果不选择第x件物品，此时

　　　　综上所述：

　　代码如下：

int bag_0_1()
{
    int n=5;//物品个数
    int cap = 10;//最大承重
    int v[5] = {5,18,23,22,8};//每个物品的价值
    int w[5] = {4,3,7,6,1};//每个物品的重量

    int i=0, j=0;

    //dp[n+1][cap+1]
    int **dp = new int*[n+1];  
    for(i = 0; i < n+1; i++)
    {
        dp[i] = new int[cap+1];
    }

    for(i = 0; i < n+1; i++)
    {
        for(j = 0; j < cap+1; j++)
        {
            dp[i][j]=0;//第0行都初始化为0   
        }
    }
//==============================================================================    

    for (i=1; i <=n; i++)/*枚举物品*/ 
    { 
        for (j=1; j<cap+1; j++)/*枚举重量*/  
        {
            //判断枚举的重量和当前选择的物品重量的关系
            //如果枚举的和总量大于等于选择物品，则需要判断是否选择当前物品 
            if (j-w[i-1]>=0)
            {
                dp[i][j] = max(dp[i-1][j], dp[i-1][j-w[i-1]]+v[i-1]);
            }  
            else
            {
                /*如果枚举的重量还没有当前选择物品的重量大，那就只能是不取当前物品*/  
                dp[i][j] = dp[i-1][j];
            } 
        }  
    }  
//=============================================================
    printf("dp[%d][%d]=%d\n", n, cap, dp[n][cap]);

    for(j=0; j<cap+1; ++j)
    {
        if(j==0) printf("\t     ");
        printf("%d\t", j);
    }
    printf("\n");

    for(i=0; i<n+1; ++i)
    {
        if(i==0) printf("\t   %d ", i);
        if(i>0)
        {
            printf("w[%d]=%d(%d) %d ", i-1, w[i-1], v[i-1], i);
        }
        for(j=0; j<cap+1; ++j)
        {
            //printf("dp[%d][%d]=%d\t", i, j, dp[i][j]);
            //if(j==0) printf("\t");
            printf("%d\t", dp[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }
    
    printf("\n");
//=============================================================
    //逆序倒推求得命中的数据
    i=n;
    j=cap;
    while(i>=1 && j>=1 /*&& j-w[i-1]>=0*/)
    {
        if(j-w[i-1]>=0 && dp[i][j] == dp[i-1][j-w[i-1]]+v[i-1] )
        {
            printf("hit info: w[%d]=%d, v[%d]=%d\n", i-1, w[i-1], i-1, v[i-1]);
            j=j-w[i-1];
            i=i-1;
        }
        else if(dp[i][j]==dp[i-1][j] || j-w[i-1]<0)
        {
            i--;
        }
        else if(dp[i][j] > dp[i-1][j])
        {
            j--;
        }
        
    }

    for(i = 0; i < n+1; i++)         //释放动态申请的二维数组
    {
        delete[] dp[i];
    }
    
    delete[] dp; 

    return -1; 
}

　　运行结果如下：

三、最长公共子序列

　　字符串或者序列串的一个子序列是指，其中

　　如：字符串abcdef，其中 acf、bd等都是子序列

　　问：，，求，的最长公共子序列？？

　　设：表示和的一个最长公共子序列

　　　　情况1：，则

　　　　情况2：，则

　　　设：记录序列的字符串长度

　　　综上所述，公式如下：

　　　　

　　代码如下：

int longest_common_subsequence(std::vector<std::string> vMainStr, std::vector<std::string> vSubStr)  
{ 
    //动态规划算法
    int i,j,k,len1,len2,max,x,y;  

    len1 = vMainStr.size();
    len2 = vSubStr.size();
    
    printf("len1=%d, len2=%d\n", len1, len2);
    
    int **dp = new int*[len1+1];  
    for(i = 0; i < len1+1; i++)
    {
        dp[i] = new int[len2+1];
    }
          
    for(i = 0; i < len1+1; i++)
    {
        dp[i][0]=0;//第0列都初始化为0
    }
        
    for(j = 0; j < len2+1; j++)
    {
        dp[0][j]=0;//第0行都初始化为0   
    }


    max = -1; 
    //求dp值
    for(i = 1; i < len1+1; i++)//str1
    {    
        for(j = 1; j < len2+1; j++)//str2 
        {  
            //subsequence
            if(vMainStr[i-1]==vSubStr[j-1])
            {
                dp[i][j]=dp[i-1][j-1]+1;
            }   
            else if(dp[i][j-1] > dp[i-1][j])
            {
                dp[i][j]=dp[i][j-1];
            }
            else
            {
                dp[i][j]=dp[i-1][j];
            }
        }
    } 

//====================================================================================================
    //输出dp数组情况
    printf("\n\n");
    int q=0, p=0;
    for(q=0; q<len2; ++q)
    {
        if(q==0) printf(" \t");

        printf("%s\t", vSubStr[q].c_str());
    }
    printf("\n");

    for(q=0; q<len1+1; ++q)
    {
        if(q==0) printf("   ");
        if(q>0) printf("%s  ",vMainStr[q-1].c_str());
        for(p=0; p<len2+1; ++p)
        {
            //printf("dp[%d][%d]=%d\t", q, p, dp[q][p]);
            printf("%d\t", dp[q][p]);
        }
        printf("\n");
    }
    printf("\n\n");
//====================================================================================================        

    //输出公共子序列
    std::string s,sTmp;  
    i = len1;
    j = len2;
    k = dp[i][j];
    max = k;
    printf("i=%d, j=%d, k=%d\n", i, j, k);
    
    while(i>0 & j>0)
    {
        if(vMainStr[i-1] == vSubStr[j-1] && dp[i][j]==dp[i-1][j-1]+1)
        {
            sTmp = vMainStr[i-1];
            sTmp.append(s);
            s = sTmp;
            --j;
            --i;
        }else if(vMainStr[i-1] != vSubStr[j-1] && dp[i-1][j] > dp[i][j-1])//上>左
        {
            --i;
        }
        else
        {
            --j;
        }
    }
    
    printf("Longest-Common-subsequence:%s\n", s.c_str());   

    for(i = 0; i < len1+1; i++)         //释放动态申请的二维数组
    {
        delete[] dp[i];
    }
    
    delete[] dp;  
    
    return max;  
}

 

　　运行结果：