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《演算法導論》動態規劃-思考題

15-1.有向無環圖中的最長加權簡單路徑


動態規劃的思想就是從窮舉法中簡化的過程,求解S結點->E結點的最長簡單路徑,權重用w(E)表示,w(E)= max{w(B)+2,w(D)+1},繼續劃分子問題,w(B)=w(A)+6,w(D)=max{w(B)+1,w(C)+3},等等。採用自底向上方法,求出w(S),w(A),w(c)直到w(E),並將其值存在一個數組中,這樣每次求解問題是可以在陣列中找到子問題的最優解。最後就可以得到S結點到E結點最長路徑的權重。

然而,如何求解最長路徑呢?我們可以在max函式比較的過程中,記錄下來較大的那個結點,即是最長路徑所需經過的結點,最後組成的結點陣列即是最長簡單路徑。

15-2.最長迴文子序列(非最長迴文子串)

子串是連續的,子序列是非連續的,子串總的個數為n(n+1)/2+1個,子序列為2^n個。顯然用窮舉法是不現實的。

我們觀察一下是否符合最優子結構:

假設一個長度為n字串S的最長迴文子序列的長度為c,如果S[1]==S[n],那麼必然存在S[2,n-1]的最長迴文子序列的長度為c-2;如果S[1]!=S[n],那麼S[1,n-1]和S[2,n],兩者較長的最長迴文子序列的長度為c,表示式為:

i>j時,c[i,j]=0;

i=j時,c[i,j]=1;

i<j且S[i]=S[j]時,c[i,j]=c[i-1,j-1]+2;

i<j且S[i]!=S[j]時,c[i,j]=max{c[i,j-1],c[i+1,j]};

當我們求解c[i,j]時,它的子問題必然是最優的,符合最優子結構,而且在求解時重複用到了子問題的解,符合子問題重疊,則使用動態規劃求解問題。
我們採用自底向上方法,以子串長度len為一層迴圈,i為一層迴圈,O(n^2)時間內即可求出結果。到此,我們可以求解出最長迴文子序列的長度c[1,n],如何求解出子序列呢?

我們可以在判斷S[i]和S[j]相等時,去記錄迴文字元,裝在一個數組r中。最終迴圈結束時,判斷c[1,n]的值若為2len(r),則說明迴文字串長度為偶數,若為2len(r)+1,長度為奇數,中間值為S[len(r)+1](中間值並不是確定的,可以取任一個在迴文序列中間的字元)。

15-3.雙調歐幾里得旅行商問題

  1. 先找出最優子結構,先把n個結點按x座標從小到大排序,最短路程我們用dp(n,n)來表示。dp(n-1,n)則表示從點n-1出發,到達最左,又回到點n的最短路程,那麼
    dp(n,n)=dp(n-1,n)+d(n-1,n)  //結點n必然與結點n-1相連,d(n-1,n)代表兩的直線距離。
    要求dp(n,n)的最優解,dp(n-1,n)必然也是最優解。dp(n-1,n)如何求最優解呢?假設與結點n直接相連的結點為k(1=<k<n-1),則路程為dp(n-1,k)+d(k,n),遍歷所有的k值,取出最小值即為dp(n-1,n)的最優解,表示式為
    dp(n-1,n)=min{dp(n-1,k)+d(k,n)}(1=<k<n-1)
    下面要求dp(n-1,k)(1=<k<n-1)的最優解了。
  2. 子問題遞迴式,用dp(i,j)來表示從結點i到結點j的路程(i<=j)這裡要注意,dp(i,j)代表從結點i出發,到達最左邊結點,然後回到結點j的路程,j右側的所有結點當做不存在,可將子問題分為三種情況:
    i=j時,dp(i,i)=dp(i-1,i)+d(i-1,i)
    i=j-1時,dp(i,i+1) = min{dp(i,k)+d(k,i+1)}(1=<k<i)
    i<j-1時,dp(i,j) = dp(i,j-1)+d(j-1,j)
  3. 採用自底向上方法,最小子問題為dp(1,1)=0,dp(1,2)=d(1,2)
    for j = 3 to n
        for i = 1 to j - 2 //i<j-1的情況
            dp(i,j) = dp(i,j-1)+d(j-1,j)
        dp(j-1,j)=int_max
        for k = 1 to j - 2 //i=j-1的情況
            dis = dp(j-1,k)+d(k,j)
            if(dis<dp(j-1,j))
                dp(j-1,j) = dis
    dp(n,n) = dp(n-1,n)+d(n-1,n) //結果

15-4.整齊列印

定義lc[i,j]為第i到第j個單詞裝入一行時的額外空格數的立方,如下表示,extras[i,j]是額外空格數

c[j]表示從1到j個單詞的最小額外空格數立方和

15-8.基於接縫裁剪的影象壓縮

c[i,j]記錄接縫走到當前畫素的最低破壞度,r[i,j]記錄當前結點來自於上一行的那個畫素(用-1,0,1分別表示左上,正上和右上方向)。
從第一行開始,c[i,j]只有當前畫素的破壞度,直接賦值即可; 第i行,每個畫素的上一個畫素來源一共有三個,左上、正上和右上方,每次計算c[i,j]時,需要去三種情況中破壞度最低的情況然後加上當前畫素的破壞度,就是接縫走到當前畫素的最低破壞度。同時更新r[i,j]. 第n行,接縫走到這裡結束,在第n行找出最小值,c[i,j]即為最低的破壞度,通過r[i,j]向上走,直到第一行,所經的路徑即為破壞度最小的接縫。 DynamicProgrammingLeastEnergyPathA
DynamicProgrammingLeastEnergyPathB
DynamicProgrammingLeastEnergyPathC