14 KiB
初探动态规划
「动态规划 Dynamic Programming」是一个重要的算法范式，它将一个问题分解为一系列更小的子问题，并通过存储子问题的解来避免重复计算，从而大幅提升时间效率。
在本节中，我们从一个经典例题入手，先给出它的暴力回溯解法，观察其中包含的重叠子问题，再逐步导出更高效的动态规划解法。
!!! question "爬楼梯"
给定一个共有 $n$ 阶的楼梯，你每步可以上 $1$ 阶或者 $2$ 阶，请问有多少种方案可以爬到楼顶。
如下图所示，对于一个 3 阶楼梯，共有 3 种方案可以爬到楼顶。
本题的目标是求解方案数量，我们可以考虑通过回溯来穷举所有可能性。具体来说，将爬楼梯想象为一个多轮选择的过程：从地面出发，每轮选择上 1 阶或 2 阶，每当到达楼梯顶部时就将方案数量加 1 ，当越过楼梯顶部时就将其剪枝。
=== "Java"
```java title="climbing_stairs_backtrack.java"
[class]{climbing_stairs_backtrack}-[func]{backtrack}
[class]{climbing_stairs_backtrack}-[func]{climbingStairsBacktrack}
```
=== "C++"
```cpp title="climbing_stairs_backtrack.cpp"
[class]{}-[func]{backtrack}
[class]{}-[func]{climbingStairsBacktrack}
```
=== "Python"
```python title="climbing_stairs_backtrack.py"
[class]{}-[func]{backtrack}
[class]{}-[func]{climbing_stairs_backtrack}
```
=== "Go"
```go title="climbing_stairs_backtrack.go"
[class]{}-[func]{backtrack}
[class]{}-[func]{climbingStairsBacktrack}
```
=== "JS"
```javascript title="climbing_stairs_backtrack.js"
[class]{}-[func]{backtrack}
[class]{}-[func]{climbingStairsBacktrack}
```
=== "TS"
```typescript title="climbing_stairs_backtrack.ts"
[class]{}-[func]{backtrack}
[class]{}-[func]{climbingStairsBacktrack}
```
=== "C"
```c title="climbing_stairs_backtrack.c"
[class]{}-[func]{backtrack}
[class]{}-[func]{climbingStairsBacktrack}
```
=== "C#"
```csharp title="climbing_stairs_backtrack.cs"
[class]{climbing_stairs_backtrack}-[func]{backtrack}
[class]{climbing_stairs_backtrack}-[func]{climbingStairsBacktrack}
```
=== "Swift"
```swift title="climbing_stairs_backtrack.swift"
[class]{}-[func]{backtrack}
[class]{}-[func]{climbingStairsBacktrack}
```
=== "Zig"
```zig title="climbing_stairs_backtrack.zig"
[class]{}-[func]{backtrack}
[class]{}-[func]{climbingStairsBacktrack}
```
=== "Dart"
```dart title="climbing_stairs_backtrack.dart"
[class]{}-[func]{backtrack}
[class]{}-[func]{climbingStairsBacktrack}
```
=== "Rust"
```rust title="climbing_stairs_backtrack.rs"
[class]{}-[func]{backtrack}
[class]{}-[func]{climbing_stairs_backtrack}
```
方法一：暴力搜索
回溯算法通常并不显式地对问题进行拆解，而是将问题看作一系列决策步骤，通过试探和剪枝，搜索所有可能的解。
我们可以尝试从问题分解的角度分析这道题。设爬到第 i 阶共有 dp[i] 种方案，那么 dp[i] 就是原问题，其子问题包括:
$$
dp[i-1] , dp[i-2] , \cdots , dp[2] , dp[1]
由于每轮只能上 1 阶或 2 阶，因此当我们站在第 i 阶楼梯上时，上一轮只可能站在第 i - 1 阶或第 i - 2 阶上。换句话说，我们只能从第 i -1 阶或第 i - 2 阶前往第 i 阶。
由此便可得出一个重要推论：爬到第 i - 1 阶的方案数加上爬到第 i - 2 阶的方案数就等于爬到第 i 阶的方案数。公式如下：
$$
dp[i] = dp[i-1] + dp[i-2]
这意味着在爬楼梯问题中，各个子问题之间存在递推关系，原问题的解可以由子问题的解构建得来。
我们可以根据递推公式得到暴力搜索解法：
- 以
dp[n]为起始点，递归地将一个较大问题拆解为两个较小问题的和，直至到达最小子问题dp[1]和dp[2]时返回。 - 最小子问题的解
dp[1] = 1,dp[2] = 2是已知的，代表爬到第1,2阶分别有1,2种方案。
观察以下代码，它和标准回溯代码都属于深度优先搜索，但更加简洁。
=== "Java"
```java title="climbing_stairs_dfs.java"
[class]{climbing_stairs_dfs}-[func]{dfs}
[class]{climbing_stairs_dfs}-[func]{climbingStairsDFS}
```
=== "C++"
```cpp title="climbing_stairs_dfs.cpp"
[class]{}-[func]{dfs}
[class]{}-[func]{climbingStairsDFS}
```
=== "Python"
```python title="climbing_stairs_dfs.py"
[class]{}-[func]{dfs}
[class]{}-[func]{climbing_stairs_dfs}
```
=== "Go"
```go title="climbing_stairs_dfs.go"
[class]{}-[func]{dfs}
[class]{}-[func]{climbingStairsDFS}
```
=== "JS"
```javascript title="climbing_stairs_dfs.js"
[class]{}-[func]{dfs}
[class]{}-[func]{climbingStairsDFS}
```
=== "TS"
```typescript title="climbing_stairs_dfs.ts"
[class]{}-[func]{dfs}
[class]{}-[func]{climbingStairsDFS}
```
=== "C"
```c title="climbing_stairs_dfs.c"
[class]{}-[func]{dfs}
[class]{}-[func]{climbingStairsDFS}
```
=== "C#"
```csharp title="climbing_stairs_dfs.cs"
[class]{climbing_stairs_dfs}-[func]{dfs}
[class]{climbing_stairs_dfs}-[func]{climbingStairsDFS}
```
=== "Swift"
```swift title="climbing_stairs_dfs.swift"
[class]{}-[func]{dfs}
[class]{}-[func]{climbingStairsDFS}
```
=== "Zig"
```zig title="climbing_stairs_dfs.zig"
[class]{}-[func]{dfs}
[class]{}-[func]{climbingStairsDFS}
```
=== "Dart"
```dart title="climbing_stairs_dfs.dart"
[class]{}-[func]{dfs}
[class]{}-[func]{climbingStairsDFS}
```
=== "Rust"
```rust title="climbing_stairs_dfs.rs"
[class]{}-[func]{dfs}
[class]{}-[func]{climbing_stairs_dfs}
```
下图展示了暴力搜索形成的递归树。对于问题 dp[n] ，其递归树的深度为 n ，时间复杂度为 O(2^n) 。指数阶属于爆炸式增长，如果我们输入一个比较大的 n ，则会陷入漫长的等待之中。
观察上图发现，指数阶的时间复杂度是由于「重叠子问题」导致的。例如：dp[9] 被分解为 dp[8] 和 dp[7] ，dp[8] 被分解为 dp[7] 和 dp[6] ，两者都包含子问题 dp[7] 。
以此类推，子问题中包含更小的重叠子问题，子子孙孙无穷尽也。绝大部分计算资源都浪费在这些重叠的问题上。
方法二：记忆化搜索
为了提升算法效率，我们希望所有的重叠子问题都只被计算一次。为此，我们声明一个数组 mem 来记录每个子问题的解，并在搜索过程中这样做：
- 当首次计算
dp[i]时，我们将其记录至mem[i]，以便之后使用。 - 当再次需要计算
dp[i]时，我们便可直接从mem[i]中获取结果，从而将重叠子问题剪枝。
=== "Java"
```java title="climbing_stairs_dfs_mem.java"
[class]{climbing_stairs_dfs_mem}-[func]{dfs}
[class]{climbing_stairs_dfs_mem}-[func]{climbingStairsDFSMem}
```
=== "C++"
```cpp title="climbing_stairs_dfs_mem.cpp"
[class]{}-[func]{dfs}
[class]{}-[func]{climbingStairsDFSMem}
```
=== "Python"
```python title="climbing_stairs_dfs_mem.py"
[class]{}-[func]{dfs}
[class]{}-[func]{climbing_stairs_dfs_mem}
```
=== "Go"
```go title="climbing_stairs_dfs_mem.go"
[class]{}-[func]{dfsMem}
[class]{}-[func]{climbingStairsDFSMem}
```
=== "JS"
```javascript title="climbing_stairs_dfs_mem.js"
[class]{}-[func]{dfs}
[class]{}-[func]{climbingStairsDFSMem}
```
=== "TS"
```typescript title="climbing_stairs_dfs_mem.ts"
[class]{}-[func]{dfs}
[class]{}-[func]{climbingStairsDFSMem}
```
=== "C"
```c title="climbing_stairs_dfs_mem.c"
[class]{}-[func]{dfs}
[class]{}-[func]{climbingStairsDFSMem}
```
=== "C#"
```csharp title="climbing_stairs_dfs_mem.cs"
[class]{climbing_stairs_dfs_mem}-[func]{dfs}
[class]{climbing_stairs_dfs_mem}-[func]{climbingStairsDFSMem}
```
=== "Swift"
```swift title="climbing_stairs_dfs_mem.swift"
[class]{}-[func]{dfs}
[class]{}-[func]{climbingStairsDFSMem}
```
=== "Zig"
```zig title="climbing_stairs_dfs_mem.zig"
[class]{}-[func]{dfs}
[class]{}-[func]{climbingStairsDFSMem}
```
=== "Dart"
```dart title="climbing_stairs_dfs_mem.dart"
[class]{}-[func]{dfs}
[class]{}-[func]{climbingStairsDFSMem}
```
=== "Rust"
```rust title="climbing_stairs_dfs_mem.rs"
[class]{}-[func]{dfs}
[class]{}-[func]{climbing_stairs_dfs_mem}
```
观察下图，经过记忆化处理后，所有重叠子问题都只需被计算一次，时间复杂度被优化至 $O(n)$ ，这是一个巨大的飞跃。
方法三：动态规划
记忆化搜索是一种“从顶至底”的方法：我们从原问题（根节点）开始，递归地将较大子问题分解为较小子问题，直至解已知的最小子问题（叶节点）。之后，通过回溯将子问题的解逐层收集，构建出原问题的解。
与之相反，动态规划是一种“从底至顶”的方法：从最小子问题的解开始，迭代地构建更大子问题的解，直至得到原问题的解。
由于动态规划不包含回溯过程，因此只需使用循环迭代实现，无需使用递归。在以下代码中，我们初始化一个数组 dp 来存储子问题的解，它起到了记忆化搜索中数组 mem 相同的记录作用。
=== "Java"
```java title="climbing_stairs_dp.java"
[class]{climbing_stairs_dp}-[func]{climbingStairsDP}
```
=== "C++"
```cpp title="climbing_stairs_dp.cpp"
[class]{}-[func]{climbingStairsDP}
```
=== "Python"
```python title="climbing_stairs_dp.py"
[class]{}-[func]{climbing_stairs_dp}
```
=== "Go"
```go title="climbing_stairs_dp.go"
[class]{}-[func]{climbingStairsDP}
```
=== "JS"
```javascript title="climbing_stairs_dp.js"
[class]{}-[func]{climbingStairsDP}
```
=== "TS"
```typescript title="climbing_stairs_dp.ts"
[class]{}-[func]{climbingStairsDP}
```
=== "C"
```c title="climbing_stairs_dp.c"
[class]{}-[func]{climbingStairsDP}
```
=== "C#"
```csharp title="climbing_stairs_dp.cs"
[class]{climbing_stairs_dp}-[func]{climbingStairsDP}
```
=== "Swift"
```swift title="climbing_stairs_dp.swift"
[class]{}-[func]{climbingStairsDP}
```
=== "Zig"
```zig title="climbing_stairs_dp.zig"
[class]{}-[func]{climbingStairsDP}
```
=== "Dart"
```dart title="climbing_stairs_dp.dart"
[class]{}-[func]{climbingStairsDP}
```
=== "Rust"
```rust title="climbing_stairs_dp.rs"
[class]{}-[func]{climbing_stairs_dp}
```
与回溯算法一样，动态规划也使用“状态”概念来表示问题求解的某个特定阶段，每个状态都对应一个子问题以及相应的局部最优解。例如，爬楼梯问题的状态定义为当前所在楼梯阶数 i 。
总结以上，动态规划的常用术语包括：
- 将数组
dp称为「dp表」，dp[i]表示状态i对应子问题的解。 - 将最小子问题对应的状态（即第
1,2阶楼梯）称为「初始状态」。 - 将递推公式
dp[i] = dp[i-1] + dp[i-2]称为「状态转移方程」。
状态压缩
细心的你可能发现，由于 dp[i] 只与 dp[i-1] 和 dp[i-2] 有关，因此我们无需使用一个数组 dp 来存储所有子问题的解，而只需两个变量滚动前进即可。
=== "Java"
```java title="climbing_stairs_dp.java"
[class]{climbing_stairs_dp}-[func]{climbingStairsDPComp}
```
=== "C++"
```cpp title="climbing_stairs_dp.cpp"
[class]{}-[func]{climbingStairsDPComp}
```
=== "Python"
```python title="climbing_stairs_dp.py"
[class]{}-[func]{climbing_stairs_dp_comp}
```
=== "Go"
```go title="climbing_stairs_dp.go"
[class]{}-[func]{climbingStairsDPComp}
```
=== "JS"
```javascript title="climbing_stairs_dp.js"
[class]{}-[func]{climbingStairsDPComp}
```
=== "TS"
```typescript title="climbing_stairs_dp.ts"
[class]{}-[func]{climbingStairsDPComp}
```
=== "C"
```c title="climbing_stairs_dp.c"
[class]{}-[func]{climbingStairsDPComp}
```
=== "C#"
```csharp title="climbing_stairs_dp.cs"
[class]{climbing_stairs_dp}-[func]{climbingStairsDPComp}
```
=== "Swift"
```swift title="climbing_stairs_dp.swift"
[class]{}-[func]{climbingStairsDPComp}
```
=== "Zig"
```zig title="climbing_stairs_dp.zig"
[class]{}-[func]{climbingStairsDPComp}
```
=== "Dart"
```dart title="climbing_stairs_dp.dart"
[class]{}-[func]{climbingStairsDPComp}
```
=== "Rust"
```rust title="climbing_stairs_dp.rs"
[class]{}-[func]{climbing_stairs_dp_comp}
```
观察以上代码，由于省去了数组 dp 占用的空间，因此空间复杂度从 O(n) 降低至 O(1) 。
这种空间优化技巧被称为「状态压缩」。在常见的动态规划问题中，当前状态仅与前面有限个状态有关，这时我们可以应用状态压缩，只保留必要的状态，通过“降维”来节省内存空间。