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# 小结
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- 动态规划通过将原问题分解为子问题来求解问题,并通过存储子问题的解来规避重复计算,实现高效的计算效率。
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- 不考虑时间的前提下,所有动态规划问题都可以用回溯(暴力搜索)进行求解,但递归树中存在大量的重叠子问题,效率极低。
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- 通过引入记忆化列表,可以存储所有计算过的子问题的解,从而保证重叠子问题只被计算一次。
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- 记忆化递归是一种从顶至底的递归式解法,与之对应的动态规划是一种从底至顶的递推式解法。
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- 由于当前状态仅依赖于某些局部状态,因此我们可以对 $dp$ 表的维度进行压缩,从而降低空间复杂度。
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- 子问题分解是一种通用的算法思路,在分治、动态规划、回溯中具有不同的性质。
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- 动态规划问题的三大特性:重叠子问题、最优子结构、无后效性。
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- 如果原问题的最优解可以从子问题的最优解构建得来,则此问题就具有最优子结构。
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- 无后效性指对于一个状态,其未来发展只与该状态有关,与其所经历的过去的所有状态无关。许多组合优化问题都不具有无后效性,无法使用动态规划快速求解。
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- 动态规划通过将原问题分解为子问题来求解问题,并通过存储子问题的解来规避重复计算,实现高效的计算效率。子问题分解是一种通用的算法思路,在分治、动态规划、回溯中具有不同的性质。
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- 不考虑时间的前提下,所有动态规划问题都可以用回溯(暴力搜索)进行求解,但递归树中存在大量的重叠子问题,效率极低。通过引入记忆化列表,可以存储所有计算过的子问题的解,从而保证重叠子问题只被计算一次。
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- 记忆化递归是一种从顶至底的递归式解法,而与之对应的动态规划是一种从底至顶的递推式解法,就像是在“填写表格”一样。由于当前状态仅依赖于某些局部状态,因此我们可以消除 $dp$ 表的一个维度,从而降低空间复杂度。
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- 动态规划问题的三大特性:重叠子问题、最优子结构、无后效性。如果原问题的最优解可以从子问题的最优解构建得来,则此问题就具有最优子结构。无后效性指对于一个状态,其未来发展只与该状态有关,与其所经历的过去的所有状态无关。许多组合优化问题都不具有无后效性,无法使用动态规划快速求解。
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- 背包问题是最典型的动态规划题目,具有 0-1 背包、完全背包、多重背包等变种问题。
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- 0-1 背包的状态定义为前 $i$ 个物品在剩余容量为 $c$ 的背包中的最大价值。这是一种常见的定义方式。
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- 在 0-1 背包中,不放入物品 $i$ ,状态转移至 $[i-1, c]$ ,放入则转移至 $[i-1, c-wgt[i-1]]$ 。由此便得到最优子结构,并构建出状态转移方程。
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- 在 0-1 背包中,由于每个状态依赖正上方和左上方的状态,因此状态压缩后需要倒序遍历列表,避免左上方状态被覆盖。
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- 0-1 背包的状态定义为前 $i$ 个物品在剩余容量为 $c$ 的背包中的最大价值。这是一种常见的定义方式。不放入物品 $i$ ,状态转移至 $[i-1, c]$ ,放入则转移至 $[i-1, c-wgt[i-1]]$ ,由此便得到最优子结构,并构建出状态转移方程。对于状态压缩,由于每个状态依赖正上方和左上方的状态,因此需要倒序遍历列表,避免左上方状态被覆盖。
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- 完全背包的每种物品有无数个,因此在放置物品 $i$ 后,状态转移至 $[i, c-wgt[i-1]]$ 。由于状态依赖于正上方和正左方的状态,因此状态压缩后应该正序遍历。
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- 零钱兑换问题是完全背包的一个变种。为从求“最大“价值变为求“最小”硬币数量,我们将状态转移方程中的 $\max()$ 改为 $\min$ ,为从求“不超过”背包容量到求“恰好”凑出目标金额,我们使用 $amt + 1$ 来表示“无法凑出目标金额”的无效解。
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- 零钱兑换问题是完全背包的一个变种。为从求“最大“价值变为求“最小”硬币数量,我们将状态转移方程中的 $\max()$ 改为 $\min()$ 。为从求“不超过”背包容量到求“恰好”凑出目标金额,我们使用 $amt + 1$ 来表示“无法凑出目标金额”的无效解。
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- 零钱兑换 II 问题从求“最少硬币数量”改为求“硬币组合数量”,状态转移方程相应地从 $\min()$ 改为求和运算符。
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- 编辑距离(Levenshtein 距离)用于衡量两个字符串之间的相似度,定义为从一个字符串到另一个字符串的最小编辑步数,编辑操作包括添加、删除、替换。
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- 编辑距离的状态定义为将 $s$ 的前 $i$ 个字符更改为 $t$ 的前 $j$ 个字符所需的最少编辑步数。
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- 对于字符 $s[i]$ 和 $t[j]$ ,可以在 $s[i-1]$ 之后添加 $t[j-1]$ 、删除 $s[i-1]$ 、将 $s[i-1]$ 替换为 $t[j-1]$ ,三种操作都有相应的剩余子问题。据此,我们就可以找出最优子结构与构建状态转移方程。值得注意的是,当 $s[i] = t[j]$ 时,无需编辑当前字符,直接跳过即可。
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- 编辑距离问题的状态定义为将 $s$ 的前 $i$ 个字符更改为 $t$ 的前 $j$ 个字符所需的最少编辑步数。考虑字符 $s[i]$ 和 $t[j]$ ,具有三种决策:在 $s[i-1]$ 之后添加 $t[j-1]$ 、删除 $s[i-1]$ 、将 $s[i-1]$ 替换为 $t[j-1]$ ,它们都有相应的剩余子问题,据此就可以找出最优子结构与构建状态转移方程。值得注意的是,当 $s[i] = t[j]$ 时,无需编辑当前字符,直接跳过即可。
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- 在编辑距离中,状态依赖于其正上方、正左方、左上方的状态,因此状态压缩后正序或倒序遍历都无法正确地进行状态转移。利用一个变量暂存左上方状态,即转化至完全背包地情况,可以在状态压缩后使用正序遍历。
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@ -209,7 +209,7 @@ nav:
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- chapter_backtracking/index.md
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- 12.1. 回溯算法: chapter_backtracking/backtracking_algorithm.md
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- 12.2. 全排列问题: chapter_backtracking/permutations_problem.md
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- 12.3. 子集和问题(New): chapter_backtracking/subset_sum_problem.md
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- 12.3. 子集和问题: chapter_backtracking/subset_sum_problem.md
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- 12.4. N 皇后问题: chapter_backtracking/n_queens_problem.md
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- 12.5. 小结: chapter_backtracking/summary.md
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- 13. 动态规划:
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@ -220,6 +220,7 @@ nav:
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- 13.4. 0-1 背包问题(New): chapter_dynamic_programming/knapsack_problem.md
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- 13.5. 完全背包问题(New): chapter_dynamic_programming/unbounded_knapsack_problem.md
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- 13.6. 编辑距离问题(New): chapter_dynamic_programming/edit_distance_problem.md
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- 13.7. 小结(New): chapter_dynamic_programming/summary.md
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- 14. 附录:
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- 14.1. 编程环境安装: chapter_appendix/installation.md
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- 14.2. 一起参与创作: chapter_appendix/contribution.md
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