一文弄懂動態規劃（DP Dynamic Programming）下樓梯，國王和金礦，揹包問題，Dijkstra演算法

摘要： 動態規劃 參考連結 漫畫演算法，什麼是動態規劃？ DP 動態規劃是一種分階段求解決策問題的數學思想 題目一 問：下樓梯問題，有一座高度是10級臺階的樓梯，從下往上走，每跨一步只能向上1級或者2級臺階，請問有多少中走法。 思路 剛才這個題目，你每走一步就有兩種...

動態規劃

參考連結

ofollow,noindex">漫畫演算法，什麼是動態規劃？

DP

動態規劃是一種分階段求解決策問題的數學思想

題目一

問：下樓梯問題，有一座高度是10級臺階的樓梯，從下往上走，每跨一步只能向上1級或者2級臺階，請問有多少中走法。

思路

剛才這個題目，你每走一步就有兩種走法，暫時不管0級到8級臺階的過程。想要走到10級，必然是從8級或者9級走的。那麼問題來了，如果我們以及0到9級臺階的走法有x種，0到8級臺階有Y種，那0到10級臺階就是X+Y。

公式就是：
F（10） = F（9）+ F（8）

當只有1級臺階的時候只有一種解法，2級臺階的時候有兩種方法。

遞推公式就是：
F（1） = 1
F（2） = 2
F（N） = F（N-1）+ F（N-2）

動態規劃的三個概念：

1. 最優子結構
2. 邊界
3. 狀態轉移公式

當只有1級臺階或2級臺階，我們直接得出結果，無需建華，我們就成F（1）F（2）為邊界。

F（N） = F（N-1）+ F（N-2）是階段與階段之間的狀態轉移公式。

求解問題

方法一：遞迴法

但是複雜度很高，因為當中有很多大量的重複計算。複雜度

。具體分析見開頭的連結。

遇到這種情況，我們只需要建立一個雜湊表，在python種建立一個字典就好了。把每次不同引數的計算結果存入雜湊，當遇到相同引數時，再從雜湊表裡面取出，就不會重複計算了。

方法二

感覺紅色箭頭少了個引數。

在以上程式碼中，集合map是一個備忘錄。當每次需要計算F(N)的時候，會首先從map中尋找匹配元素。如果map中存在，就直接返回結果，如果map中不存在，就計算出結果，存入備忘錄中

其實不用對F（N）自頂向下做遞迴運算，可以從下往上算。已知1，2是不是就能求3了。以此類推。

題目二

國王和金礦

問：有一個國家發現了5座金礦，每座金礦的黃金儲量不同，需要參與挖掘的工人數也不同。參與挖礦工人的總數是10人。每座金礦要麼全挖，要麼不挖，不能派出一半人挖取一半金礦。要求用程式求解出，要想得到儘可能多的黃金，應該選擇挖取哪幾座金礦？

解答

最優子結構：

10個人4金礦（第五金礦不挖的時候），10減去挖第五金礦的人數要求然後剩下4金礦（第五金礦挖的時候）。

最終問題：

10個人5金礦的最優選擇。

最優子結構和最終問題的關係：

設幾個變數便於描述：

N：金礦數量

W：工人人數

G[]：金礦黃金含量

P[]：金礦的用工量

關係：

F（5，10） = Max（F（4，10），F（4，10-P[4]）+ G [4]）

==> F（N，W） = Max（F（N-1，W），F（N-1，W-P[N-1]）+G[N-1]）

邊界條件：

if N == 1:
if W>= P[0]:
return G[0]
else:
return 0

總結：

和之前一樣，有三種實現方式，簡單遞迴，備忘錄演算法，動態規劃。

方法二：簡單遞迴

把狀態轉移方程式翻譯成遞迴程式，遞迴的結束的條件就是方程式當中的邊界。因為每個狀態有兩個最優子結構，所以遞迴的執行流程類似於一顆高度為N的二叉樹。方法的時間複雜度是 。

方法三：備忘錄演算法

在簡單遞迴的基礎上增加一個HashMap備忘錄，用來儲存中間結果。HashMap的Key是一個包含金礦數N和工人數W的物件，Value是最優選擇獲得的黃金數。方法的時間複雜度和空間複雜度相同，都等同於備忘錄中不同Key的數量。

方法四：動態規劃

規律

However ，當總工人數變成1000人，每個金礦的用工數也相應增加，這時候如何實現最優選擇呢？

可能你覺得還是之前的動態規劃方法。其實是不對的，我們可以來計算一下，

1000工人5個金礦，需要計算1000 * 5 次，需要開闢 1000 單位的空間。

然而我們用之前的簡單遞迴，需要計算2^n次也就是32次，只需要開闢5單位（遞迴深度的空間）。

所以從上面計算可以知道，動態規劃方法的時間和空間都和W成正比，而簡單遞迴卻與W無關，當工人數量很多的時候，動態規劃反而不如遞迴。

（我又一個想法，思路來源於Glibc 中的 qsort() 的實現 在這個連結的舉例分析排序函式板塊中

，我的思路是這樣的，兩個演算法都可以寫在函式實現上，如果當N特別大的時候，可以選擇動態規劃的方法，而當N不大，而W特別大的時候，且空間有限制，此時就可以讓演算法退化成簡單遞迴。不知道對不對這個思路，如果哪裡考慮的不對的話，請告訴我，萬分感謝）

以上就是漫畫演算法的全部內容。以下是我的補充內容

揹包問題 和迪傑特斯拉（Dijkstra演算法--求圖最短路徑）

揹包問題

如果認真讀了上面的過程，看到這個題目是不是覺得和前面礦工和金礦很像是不是。揹包問題就是，錢和重量，而前面礦工和金礦問題是，錢和人數的限制。

接下來的思路是演算法圖解中關於動態規劃的講解，可以參考看一下。

寫出正確的動態規劃

Dijkstra's Algorithm（是求從一點出發的最短路徑）

虛擬碼

Data: G, s, dist[], pred[] and
vSet: set of vertices whose shortest path from s is unknown
Algorithm:
dist[] // array of cost of shortest path from s
pred[] // array of predecessor in shortest path from s
dijkstraSSSP(G,source):
|Input graph G, source node
|
|initialise dist[] to all ∞, except dist[source]=0
|initialise pred[] to all -1
|vSet=all vertices of G
|while vSet is not NULL do
||find s in vSet with minimum dist[s]
||for each (s,t,w) in edges(G) do
||relax along (s,t,w)
||end for
||vSet=vSet \ {s}
|end while

以上虛擬碼僅供參考作用，喜歡的話，可以研究一下。下面通過一道題目來了解整個過程。

1. 根據虛擬碼進行初始化：

   

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2. 根據題目的要求，從node 0開始，遍歷與0相連的每條邊的權重，更新列表，pred代表是從哪裡來的，比如，第二列的0，代表從0來到1。 （圖中綠色的代表當前遍歷的點）
   
   

   image

3. 然後遍歷dist中除去0以外的，最小的值，以這個最小值作為起始點，遍歷它連的邊，更新列表。

   

   image

4. 其實就是重複3的動作，先找剩下的最小邊，遍歷它連的邊，更新列表，你可以動手寫一下剩下的內容。當dist發生變化時，pred也要相應的發生變化，畢竟你要記錄最短路徑，當然要記錄這個路徑是從哪裡來的。

   

   image

演算法複雜度分析

附加題

旅行者問題，動態規劃詳解