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comments: true
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# 14.2. 动态规划问题特性
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在上节中,我们学习了动态规划是如何通过子问题分解来求解问题的。实际上,子问题分解是一种通用的算法思路,在分治、动态规划、回溯中各有特点:
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- 「分治算法」递归地将原问题划分为多个互相独立的子问题,直至最小子问题,并在回溯中合并子问题的解,最终得到原问题的解。
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- 「动态规划」也对问题进行递归分解,但与分治算法的主要区别是,**动态规划中的子问题往往不是相互独立的**,原问题的解依赖于子问题的解,而子问题的解又依赖于更小的子问题的解。
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- 「回溯算法」在尝试和回退中穷举所有可能的解,并通过剪枝避免不必要的搜索分支。原问题的解由一系列决策步骤构成,我们可以将每个决策步骤之前的子序列看作为一个子问题。
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实际上,动态规划常用来求解最优化问题,它们不仅包含重叠子问题,还具有另外两大特性:最优子结构、无后效性。
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## 14.2.1. 最优子结构
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我们对爬楼梯问题稍作改动,使之更加适合展示最优子结构概念。
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!!! question "爬楼梯最小代价"
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给定一个楼梯,你每步可以上 $1$ 阶或者 $2$ 阶,每一阶楼梯上都贴有一个非负整数,表示你在该台阶所需要付出的代价。给定一个非负整数数组 $cost$ ,其中 $cost[i]$ 表示在第 $i$ 个台阶需要付出的代价,$cost[0]$ 为地面起始点。请计算最少需要付出多少代价才能到达顶部?
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如下图所示,若第 $1$ , $2$ , $3$ 阶的代价分别为 $1$ , $10$ , $1$ ,则从地面爬到第 $3$ 阶的最小代价为 $2$ 。
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![爬到第 3 阶的最小代价](dp_problem_features.assets/min_cost_cs_example.png)
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<p align="center"> Fig. 爬到第 3 阶的最小代价 </p>
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设 $dp[i]$ 为爬到第 $i$ 阶累计付出的代价,由于第 $i$ 阶只可能从 $i - 1$ 阶或 $i - 2$ 阶走来,因此 $dp[i]$ 只可能等于 $dp[i - 1] + cost[i]$ 或 $dp[i - 2] + cost[i]$ 。为了尽可能减少代价,我们应该选择两者中较小的那一个,即:
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$$
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dp[i] = \min(dp[i-1], dp[i-2]) + cost[i]
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$$
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这便可以引出「最优子结构」的含义:**原问题的最优解是从子问题的最优解构建得来的**。
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本题显然具有最优子结构:我们从两个子问题最优解 $dp[i-1]$ , $dp[i-2]$ 中挑选出较优的那一个,并用它构建出原问题 $dp[i]$ 的最优解。
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那么,上节的爬楼梯题目有没有最优子结构呢?它的目标是求解方案数量,看似是一个计数问题,但如果换一种问法:“求解最大方案数量”。我们意外地发现,**虽然题目修改前后是等价的,但最优子结构浮现出来了**:第 $n$ 阶最大方案数量等于第 $n-1$ 阶和第 $n-2$ 阶最大方案数量之和。所以说,最优子结构的解释方式比较灵活,在不同问题中会有不同的含义。
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根据状态转移方程,以及初始状态 $dp[1] = cost[1]$ , $dp[2] = cost[2]$ ,可以得出动态规划代码。
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=== "Java"
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```java title="min_cost_climbing_stairs_dp.java"
|
|
/* 爬楼梯最小代价:动态规划 */
|
|
int minCostClimbingStairsDP(int[] cost) {
|
|
int n = cost.length - 1;
|
|
if (n == 1 || n == 2)
|
|
return cost[n];
|
|
// 初始化 dp 表,用于存储子问题的解
|
|
int[] dp = new int[n + 1];
|
|
// 初始状态:预设最小子问题的解
|
|
dp[1] = cost[1];
|
|
dp[2] = cost[2];
|
|
// 状态转移:从较小子问题逐步求解较大子问题
|
|
for (int i = 3; i <= n; i++) {
|
|
dp[i] = Math.min(dp[i - 1], dp[i - 2]) + cost[i];
|
|
}
|
|
return dp[n];
|
|
}
|
|
```
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|
|
|
=== "C++"
|
|
|
|
```cpp title="min_cost_climbing_stairs_dp.cpp"
|
|
/* 爬楼梯最小代价:动态规划 */
|
|
int minCostClimbingStairsDP(vector<int> &cost) {
|
|
int n = cost.size() - 1;
|
|
if (n == 1 || n == 2)
|
|
return cost[n];
|
|
// 初始化 dp 表,用于存储子问题的解
|
|
vector<int> dp(n + 1);
|
|
// 初始状态:预设最小子问题的解
|
|
dp[1] = cost[1];
|
|
dp[2] = cost[2];
|
|
// 状态转移:从较小子问题逐步求解较大子问题
|
|
for (int i = 3; i <= n; i++) {
|
|
dp[i] = min(dp[i - 1], dp[i - 2]) + cost[i];
|
|
}
|
|
return dp[n];
|
|
}
|
|
```
|
|
|
|
=== "Python"
|
|
|
|
```python title="min_cost_climbing_stairs_dp.py"
|
|
def min_cost_climbing_stairs_dp(cost: list[int]) -> int:
|
|
"""爬楼梯最小代价:动态规划"""
|
|
n = len(cost) - 1
|
|
if n == 1 or n == 2:
|
|
return cost[n]
|
|
# 初始化 dp 表,用于存储子问题的解
|
|
dp = [0] * (n + 1)
|
|
# 初始状态:预设最小子问题的解
|
|
dp[1], dp[2] = cost[1], cost[2]
|
|
# 状态转移:从较小子问题逐步求解较大子问题
|
|
for i in range(3, n + 1):
|
|
dp[i] = min(dp[i - 1], dp[i - 2]) + cost[i]
|
|
return dp[n]
|
|
```
|
|
|
|
=== "Go"
|
|
|
|
```go title="min_cost_climbing_stairs_dp.go"
|
|
/* 爬楼梯最小代价:动态规划 */
|
|
func minCostClimbingStairsDP(cost []int) int {
|
|
n := len(cost) - 1
|
|
if n == 1 || n == 2 {
|
|
return cost[n]
|
|
}
|
|
// 初始化 dp 表,用于存储子问题的解
|
|
dp := make([]int, n+1)
|
|
// 初始状态:预设最小子问题的解
|
|
dp[1] = cost[1]
|
|
dp[2] = cost[2]
|
|
// 状态转移:从较小子问题逐步求解较大子问题
|
|
for i := 3; i <= n; i++ {
|
|
dp[i] = int(math.Min(float64(dp[i-1]), float64(dp[i-2]+cost[i])))
|
|
}
|
|
return dp[n]
|
|
}
|
|
```
|
|
|
|
=== "JS"
|
|
|
|
```javascript title="min_cost_climbing_stairs_dp.js"
|
|
[class]{}-[func]{minCostClimbingStairsDP}
|
|
```
|
|
|
|
=== "TS"
|
|
|
|
```typescript title="min_cost_climbing_stairs_dp.ts"
|
|
[class]{}-[func]{minCostClimbingStairsDP}
|
|
```
|
|
|
|
=== "C"
|
|
|
|
```c title="min_cost_climbing_stairs_dp.c"
|
|
[class]{}-[func]{minCostClimbingStairsDP}
|
|
```
|
|
|
|
=== "C#"
|
|
|
|
```csharp title="min_cost_climbing_stairs_dp.cs"
|
|
/* 爬楼梯最小代价:动态规划 */
|
|
int minCostClimbingStairsDP(int[] cost) {
|
|
int n = cost.Length - 1;
|
|
if (n == 1 || n == 2)
|
|
return cost[n];
|
|
// 初始化 dp 表,用于存储子问题的解
|
|
int[] dp = new int[n + 1];
|
|
// 初始状态:预设最小子问题的解
|
|
dp[1] = cost[1];
|
|
dp[2] = cost[2];
|
|
// 状态转移:从较小子问题逐步求解较大子问题
|
|
for (int i = 3; i <= n; i++) {
|
|
dp[i] = Math.Min(dp[i - 1], dp[i - 2]) + cost[i];
|
|
}
|
|
return dp[n];
|
|
}
|
|
```
|
|
|
|
=== "Swift"
|
|
|
|
```swift title="min_cost_climbing_stairs_dp.swift"
|
|
/* 爬楼梯最小代价:动态规划 */
|
|
func minCostClimbingStairsDP(cost: [Int]) -> Int {
|
|
let n = cost.count - 1
|
|
if n == 1 || n == 2 {
|
|
return cost[n]
|
|
}
|
|
// 初始化 dp 表,用于存储子问题的解
|
|
var dp = Array(repeating: 0, count: n + 1)
|
|
// 初始状态:预设最小子问题的解
|
|
dp[1] = 1
|
|
dp[2] = 2
|
|
// 状态转移:从较小子问题逐步求解较大子问题
|
|
for i in stride(from: 3, through: n, by: 1) {
|
|
dp[i] = min(dp[i - 1], dp[i - 2]) + cost[i]
|
|
}
|
|
return dp[n]
|
|
}
|
|
```
|
|
|
|
=== "Zig"
|
|
|
|
```zig title="min_cost_climbing_stairs_dp.zig"
|
|
// 爬楼梯最小代价:动态规划
|
|
fn minCostClimbingStairsDP(comptime cost: []i32) i32 {
|
|
comptime var n = cost.len - 1;
|
|
if (n == 1 or n == 2) {
|
|
return cost[n];
|
|
}
|
|
// 初始化 dp 表,用于存储子问题的解
|
|
var dp = [_]i32{-1} ** (n + 1);
|
|
// 初始状态:预设最小子问题的解
|
|
dp[1] = cost[1];
|
|
dp[2] = cost[2];
|
|
// 状态转移:从较小子问题逐步求解较大子问题
|
|
for (3..n + 1) |i| {
|
|
dp[i] = @min(dp[i - 1], dp[i - 2]) + cost[i];
|
|
}
|
|
return dp[n];
|
|
}
|
|
```
|
|
|
|
=== "Dart"
|
|
|
|
```dart title="min_cost_climbing_stairs_dp.dart"
|
|
[class]{}-[func]{minCostClimbingStairsDP}
|
|
```
|
|
|
|
=== "Rust"
|
|
|
|
```rust title="min_cost_climbing_stairs_dp.rs"
|
|
/* 爬楼梯最小代价:动态规划 */
|
|
fn min_cost_climbing_stairs_dp(cost: &[i32]) -> i32 {
|
|
let n = cost.len() - 1;
|
|
if n == 1 || n == 2 { return cost[n]; }
|
|
// 初始化 dp 表,用于存储子问题的解
|
|
let mut dp = vec![-1; n + 1];
|
|
// 初始状态:预设最小子问题的解
|
|
dp[1] = cost[1];
|
|
dp[2] = cost[2];
|
|
// 状态转移:从较小子问题逐步求解较大子问题
|
|
for i in 3..=n {
|
|
dp[i] = cmp::min(dp[i - 1], dp[i - 2]) + cost[i];
|
|
}
|
|
dp[n]
|
|
}
|
|
```
|
|
|
|
![爬楼梯最小代价的动态规划过程](dp_problem_features.assets/min_cost_cs_dp.png)
|
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|
<p align="center"> Fig. 爬楼梯最小代价的动态规划过程 </p>
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|
本题也可以进行状态压缩,将一维压缩至零维,使得空间复杂度从 $O(n)$ 降低至 $O(1)$ 。
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|
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|
=== "Java"
|
|
|
|
```java title="min_cost_climbing_stairs_dp.java"
|
|
/* 爬楼梯最小代价:状态压缩后的动态规划 */
|
|
int minCostClimbingStairsDPComp(int[] cost) {
|
|
int n = cost.length - 1;
|
|
if (n == 1 || n == 2)
|
|
return cost[n];
|
|
int a = cost[1], b = cost[2];
|
|
for (int i = 3; i <= n; i++) {
|
|
int tmp = b;
|
|
b = Math.min(a, tmp) + cost[i];
|
|
a = tmp;
|
|
}
|
|
return b;
|
|
}
|
|
```
|
|
|
|
=== "C++"
|
|
|
|
```cpp title="min_cost_climbing_stairs_dp.cpp"
|
|
/* 爬楼梯最小代价:状态压缩后的动态规划 */
|
|
int minCostClimbingStairsDPComp(vector<int> &cost) {
|
|
int n = cost.size() - 1;
|
|
if (n == 1 || n == 2)
|
|
return cost[n];
|
|
int a = cost[1], b = cost[2];
|
|
for (int i = 3; i <= n; i++) {
|
|
int tmp = b;
|
|
b = min(a, tmp) + cost[i];
|
|
a = tmp;
|
|
}
|
|
return b;
|
|
}
|
|
```
|
|
|
|
=== "Python"
|
|
|
|
```python title="min_cost_climbing_stairs_dp.py"
|
|
def min_cost_climbing_stairs_dp_comp(cost: list[int]) -> int:
|
|
"""爬楼梯最小代价:状态压缩后的动态规划"""
|
|
n = len(cost) - 1
|
|
if n == 1 or n == 2:
|
|
return cost[n]
|
|
a, b = cost[1], cost[2]
|
|
for i in range(3, n + 1):
|
|
a, b = b, min(a, b) + cost[i]
|
|
return b
|
|
```
|
|
|
|
=== "Go"
|
|
|
|
```go title="min_cost_climbing_stairs_dp.go"
|
|
/* 爬楼梯最小代价:状态压缩后的动态规划 */
|
|
func minCostClimbingStairsDPComp(cost []int) int {
|
|
n := len(cost) - 1
|
|
if n == 1 || n == 2 {
|
|
return cost[n]
|
|
}
|
|
// 初始状态:预设最小子问题的解
|
|
a, b := cost[1], cost[2]
|
|
// 状态转移:从较小子问题逐步求解较大子问题
|
|
for i := 3; i <= n; i++ {
|
|
tmp := b
|
|
b = int(math.Min(float64(a), float64(tmp+cost[i])))
|
|
a = tmp
|
|
}
|
|
return b
|
|
}
|
|
```
|
|
|
|
=== "JS"
|
|
|
|
```javascript title="min_cost_climbing_stairs_dp.js"
|
|
[class]{}-[func]{minCostClimbingStairsDPComp}
|
|
```
|
|
|
|
=== "TS"
|
|
|
|
```typescript title="min_cost_climbing_stairs_dp.ts"
|
|
[class]{}-[func]{minCostClimbingStairsDPComp}
|
|
```
|
|
|
|
=== "C"
|
|
|
|
```c title="min_cost_climbing_stairs_dp.c"
|
|
[class]{}-[func]{minCostClimbingStairsDPComp}
|
|
```
|
|
|
|
=== "C#"
|
|
|
|
```csharp title="min_cost_climbing_stairs_dp.cs"
|
|
/* 爬楼梯最小代价:状态压缩后的动态规划 */
|
|
int minCostClimbingStairsDPComp(int[] cost) {
|
|
int n = cost.Length - 1;
|
|
if (n == 1 || n == 2)
|
|
return cost[n];
|
|
int a = cost[1], b = cost[2];
|
|
for (int i = 3; i <= n; i++) {
|
|
int tmp = b;
|
|
b = Math.Min(a, tmp) + cost[i];
|
|
a = tmp;
|
|
}
|
|
return b;
|
|
}
|
|
```
|
|
|
|
=== "Swift"
|
|
|
|
```swift title="min_cost_climbing_stairs_dp.swift"
|
|
/* 爬楼梯最小代价:状态压缩后的动态规划 */
|
|
func minCostClimbingStairsDPComp(cost: [Int]) -> Int {
|
|
let n = cost.count - 1
|
|
if n == 1 || n == 2 {
|
|
return cost[n]
|
|
}
|
|
var (a, b) = (cost[1], cost[2])
|
|
for i in stride(from: 3, through: n, by: 1) {
|
|
(a, b) = (b, min(a, b) + cost[i])
|
|
}
|
|
return b
|
|
}
|
|
```
|
|
|
|
=== "Zig"
|
|
|
|
```zig title="min_cost_climbing_stairs_dp.zig"
|
|
// 爬楼梯最小代价:状态压缩后的动态规划
|
|
fn minCostClimbingStairsDPComp(cost: []i32) i32 {
|
|
var n = cost.len - 1;
|
|
if (n == 1 or n == 2) {
|
|
return cost[n];
|
|
}
|
|
var a = cost[1];
|
|
var b = cost[2];
|
|
// 状态转移:从较小子问题逐步求解较大子问题
|
|
for (3..n + 1) |i| {
|
|
var tmp = b;
|
|
b = @min(a, tmp) + cost[i];
|
|
a = tmp;
|
|
}
|
|
return b;
|
|
}
|
|
```
|
|
|
|
=== "Dart"
|
|
|
|
```dart title="min_cost_climbing_stairs_dp.dart"
|
|
[class]{}-[func]{minCostClimbingStairsDPComp}
|
|
```
|
|
|
|
=== "Rust"
|
|
|
|
```rust title="min_cost_climbing_stairs_dp.rs"
|
|
/* 爬楼梯最小代价:状态压缩后的动态规划 */
|
|
fn min_cost_climbing_stairs_dp_comp(cost: &[i32]) -> i32 {
|
|
let n = cost.len() - 1;
|
|
if n == 1 || n == 2 { return cost[n] };
|
|
let (mut a, mut b) = (cost[1], cost[2]);
|
|
for i in 3..=n {
|
|
let tmp = b;
|
|
b = cmp::min(a, tmp) + cost[i];
|
|
a = tmp;
|
|
}
|
|
b
|
|
}
|
|
```
|
|
|
|
## 14.2.2. 无后效性
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|
「无后效性」是动态规划能够有效解决问题的重要特性之一,定义为:**给定一个确定的状态,它的未来发展只与当前状态有关,而与当前状态过去所经历过的所有状态无关**。
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以爬楼梯问题为例,给定状态 $i$ ,它会发展出状态 $i+1$ 和状态 $i+2$ ,分别对应跳 $1$ 步和跳 $2$ 步。在做出这两种选择时,我们无需考虑状态 $i$ 之前的状态,它们对状态 $i$ 的未来没有影响。
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|
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|
然而,如果我们向爬楼梯问题添加一个约束,情况就不一样了。
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!!! question "带约束爬楼梯"
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给定一个共有 $n$ 阶的楼梯,你每步可以上 $1$ 阶或者 $2$ 阶,**但不能连续两轮跳 $1$ 阶**,请问有多少种方案可以爬到楼顶。
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|
例如,爬上第 $3$ 阶仅剩 $2$ 种可行方案,其中连续三次跳 $1$ 阶的方案不满足约束条件,因此被舍弃。
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|
![带约束爬到第 3 阶的方案数量](dp_problem_features.assets/climbing_stairs_constraint_example.png)
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<p align="center"> Fig. 带约束爬到第 3 阶的方案数量 </p>
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|
|
|
在该问题中,如果上一轮是跳 $1$ 阶上来的,那么下一轮就必须跳 $2$ 阶。这意味着,**下一步选择不能由当前状态(当前楼梯阶数)独立决定,还和前一个状态(上轮楼梯阶数)有关**。
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|
|
|
不难发现,此问题已不满足无后效性,状态转移方程 $dp[i] = dp[i-1] + dp[i-2]$ 也失效了,因为 $dp[i-1]$ 代表本轮跳 $1$ 阶,但其中包含了许多“上一轮跳 $1$ 阶上来的”方案,而为了满足约束,我们就不能将 $dp[i-1]$ 直接计入 $dp[i]$ 中。
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|
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为此,我们需要扩展状态定义:**状态 $[i, j]$ 表示处在第 $i$ 阶、并且上一轮跳了 $j$ 阶**,其中 $j \in \{1, 2\}$ 。此状态定义有效地区分了上一轮跳了 $1$ 阶还是 $2$ 阶,我们可以据此来决定下一步该怎么跳:
|
|
|
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- 当 $j$ 等于 $1$ ,即上一轮跳了 $1$ 阶时,这一轮只能选择跳 $2$ 阶。
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|
- 当 $j$ 等于 $2$ ,即上一轮跳了 $2$ 阶时,这一轮可选择跳 $1$ 阶或跳 $2$ 阶。
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|
在该定义下,$dp[i, j]$ 表示状态 $[i, j]$ 对应的方案数。在该定义下的状态转移方程为:
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$$
|
|
\begin{cases}
|
|
dp[i, 1] = dp[i-1, 2] \\
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|
dp[i, 2] = dp[i-2, 1] + dp[i-2, 2]
|
|
\end{cases}
|
|
$$
|
|
|
|
![考虑约束下的递推关系](dp_problem_features.assets/climbing_stairs_constraint_state_transfer.png)
|
|
|
|
<p align="center"> Fig. 考虑约束下的递推关系 </p>
|
|
|
|
最终,返回 $dp[n, 1] + dp[n, 2]$ 即可,两者之和代表爬到第 $n$ 阶的方案总数。
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|
|
|
=== "Java"
|
|
|
|
```java title="climbing_stairs_constraint_dp.java"
|
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/* 带约束爬楼梯:动态规划 */
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int climbingStairsConstraintDP(int n) {
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if (n == 1 || n == 2) {
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return n;
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}
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// 初始化 dp 表,用于存储子问题的解
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int[][] dp = new int[n + 1][3];
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// 初始状态:预设最小子问题的解
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|
dp[1][1] = 1;
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|
dp[1][2] = 0;
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|
dp[2][1] = 0;
|
|
dp[2][2] = 1;
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|
// 状态转移:从较小子问题逐步求解较大子问题
|
|
for (int i = 3; i <= n; i++) {
|
|
dp[i][1] = dp[i - 1][2];
|
|
dp[i][2] = dp[i - 2][1] + dp[i - 2][2];
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|
}
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return dp[n][1] + dp[n][2];
|
|
}
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```
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=== "C++"
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```cpp title="climbing_stairs_constraint_dp.cpp"
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|
/* 带约束爬楼梯:动态规划 */
|
|
int climbingStairsConstraintDP(int n) {
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|
if (n == 1 || n == 2) {
|
|
return n;
|
|
}
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|
// 初始化 dp 表,用于存储子问题的解
|
|
vector<vector<int>> dp(n + 1, vector<int>(3, 0));
|
|
// 初始状态:预设最小子问题的解
|
|
dp[1][1] = 1;
|
|
dp[1][2] = 0;
|
|
dp[2][1] = 0;
|
|
dp[2][2] = 1;
|
|
// 状态转移:从较小子问题逐步求解较大子问题
|
|
for (int i = 3; i <= n; i++) {
|
|
dp[i][1] = dp[i - 1][2];
|
|
dp[i][2] = dp[i - 2][1] + dp[i - 2][2];
|
|
}
|
|
return dp[n][1] + dp[n][2];
|
|
}
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|
```
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=== "Python"
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```python title="climbing_stairs_constraint_dp.py"
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|
def climbing_stairs_constraint_dp(n: int) -> int:
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"""带约束爬楼梯:动态规划"""
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|
if n == 1 or n == 2:
|
|
return n
|
|
# 初始化 dp 表,用于存储子问题的解
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dp = [[0] * 3 for _ in range(n + 1)]
|
|
# 初始状态:预设最小子问题的解
|
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dp[1][1], dp[1][2] = 1, 0
|
|
dp[2][1], dp[2][2] = 0, 1
|
|
# 状态转移:从较小子问题逐步求解较大子问题
|
|
for i in range(3, n + 1):
|
|
dp[i][1] = dp[i - 1][2]
|
|
dp[i][2] = dp[i - 2][1] + dp[i - 2][2]
|
|
return dp[n][1] + dp[n][2]
|
|
```
|
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|
=== "Go"
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```go title="climbing_stairs_constraint_dp.go"
|
|
/* 带约束爬楼梯:动态规划 */
|
|
func climbingStairsConstraintDP(n int) int {
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|
if n == 1 || n == 2 {
|
|
return n
|
|
}
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|
// 初始化 dp 表,用于存储子问题的解
|
|
dp := make([][3]int, n+1)
|
|
// 初始状态:预设最小子问题的解
|
|
dp[1][1] = 1
|
|
dp[1][2] = 0
|
|
dp[2][1] = 0
|
|
dp[2][2] = 1
|
|
// 状态转移:从较小子问题逐步求解较大子问题
|
|
for i := 3; i <= n; i++ {
|
|
dp[i][1] = dp[i-1][2]
|
|
dp[i][2] = dp[i-2][1] + dp[i-2][2]
|
|
}
|
|
return dp[n][1] + dp[n][2]
|
|
}
|
|
```
|
|
|
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=== "JS"
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|
```javascript title="climbing_stairs_constraint_dp.js"
|
|
[class]{}-[func]{climbingStairsConstraintDP}
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|
```
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=== "TS"
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|
|
```typescript title="climbing_stairs_constraint_dp.ts"
|
|
[class]{}-[func]{climbingStairsConstraintDP}
|
|
```
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=== "C"
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```c title="climbing_stairs_constraint_dp.c"
|
|
[class]{}-[func]{climbingStairsConstraintDP}
|
|
```
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=== "C#"
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|
```csharp title="climbing_stairs_constraint_dp.cs"
|
|
/* 带约束爬楼梯:动态规划 */
|
|
int climbingStairsConstraintDP(int n) {
|
|
if (n == 1 || n == 2) {
|
|
return n;
|
|
}
|
|
// 初始化 dp 表,用于存储子问题的解
|
|
int[,] dp = new int[n + 1, 3];
|
|
// 初始状态:预设最小子问题的解
|
|
dp[1, 1] = 1;
|
|
dp[1, 2] = 0;
|
|
dp[2, 1] = 0;
|
|
dp[2, 2] = 1;
|
|
// 状态转移:从较小子问题逐步求解较大子问题
|
|
for (int i = 3; i <= n; i++) {
|
|
dp[i, 1] = dp[i - 1, 2];
|
|
dp[i, 2] = dp[i - 2, 1] + dp[i - 2, 2];
|
|
}
|
|
return dp[n, 1] + dp[n, 2];
|
|
}
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|
```
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=== "Swift"
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```swift title="climbing_stairs_constraint_dp.swift"
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|
/* 带约束爬楼梯:动态规划 */
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|
func climbingStairsConstraintDP(n: Int) -> Int {
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|
if n == 1 || n == 2 {
|
|
return n
|
|
}
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|
// 初始化 dp 表,用于存储子问题的解
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|
var dp = Array(repeating: Array(repeating: 0, count: 3), count: n + 1)
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|
// 初始状态:预设最小子问题的解
|
|
dp[1][1] = 1
|
|
dp[1][2] = 0
|
|
dp[2][1] = 0
|
|
dp[2][2] = 1
|
|
// 状态转移:从较小子问题逐步求解较大子问题
|
|
for i in stride(from: 3, through: n, by: 1) {
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|
dp[i][1] = dp[i - 1][2]
|
|
dp[i][2] = dp[i - 2][1] + dp[i - 2][2]
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|
}
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|
return dp[n][1] + dp[n][2]
|
|
}
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```
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=== "Zig"
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```zig title="climbing_stairs_constraint_dp.zig"
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|
// 带约束爬楼梯:动态规划
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fn climbingStairsConstraintDP(comptime n: usize) i32 {
|
|
if (n == 1 or n == 2) {
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|
return @intCast(n);
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|
}
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|
// 初始化 dp 表,用于存储子问题的解
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var dp = [_][3]i32{ [_]i32{ -1, -1, -1 } } ** (n + 1);
|
|
// 初始状态:预设最小子问题的解
|
|
dp[1][1] = 1;
|
|
dp[1][2] = 0;
|
|
dp[2][1] = 0;
|
|
dp[2][2] = 1;
|
|
// 状态转移:从较小子问题逐步求解较大子问题
|
|
for (3..n + 1) |i| {
|
|
dp[i][1] = dp[i - 1][2];
|
|
dp[i][2] = dp[i - 2][1] + dp[i - 2][2];
|
|
}
|
|
return dp[n][1] + dp[n][2];
|
|
}
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|
```
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|
|
=== "Dart"
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```dart title="climbing_stairs_constraint_dp.dart"
|
|
[class]{}-[func]{climbingStairsConstraintDP}
|
|
```
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=== "Rust"
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```rust title="climbing_stairs_constraint_dp.rs"
|
|
/* 带约束爬楼梯:动态规划 */
|
|
fn climbing_stairs_constraint_dp(n: usize) -> i32 {
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if n == 1 || n == 2 { return n as i32 };
|
|
// 初始化 dp 表,用于存储子问题的解
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|
let mut dp = vec![vec![-1; 3]; n + 1];
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|
// 初始状态:预设最小子问题的解
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|
dp[1][1] = 1;
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|
dp[1][2] = 0;
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|
dp[2][1] = 0;
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|
dp[2][2] = 1;
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|
// 状态转移:从较小子问题逐步求解较大子问题
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|
for i in 3..=n {
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dp[i][1] = dp[i - 1][2];
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|
dp[i][2] = dp[i - 2][1] + dp[i - 2][2];
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}
|
|
dp[n][1] + dp[n][2]
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|
}
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|
```
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在上面的案例中,由于仅需多考虑前面一个状态,我们仍然可以通过扩展状态定义,使得问题恢复无后效性。然而,许多问题具有非常严重的“有后效性”,例如:
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!!! question "爬楼梯与障碍生成"
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给定一个共有 $n$ 阶的楼梯,你每步可以上 $1$ 阶或者 $2$ 阶。**规定当爬到第 $i$ 阶时,系统自动会给第 $2i$ 阶上放上障碍物,之后所有轮都不允许跳到第 $2i$ 阶上**。例如,前两轮分别跳到了第 $2, 3$ 阶上,则之后就不能跳到第 $4, 6$ 阶上。请问有多少种方案可以爬到楼顶。
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在这个问题中,下次跳跃依赖于过去所有的状态,因为每一次跳跃都会在更高的阶梯上设置障碍,并影响未来的跳跃。对于这类问题,动态规划往往难以解决。
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实际上,许多复杂的组合优化问题(例如旅行商问题)都不满足无后效性。对于这类问题,我们通常会选择使用其他方法,例如启发式搜索、遗传算法、强化学习等,从而在有限时间内得到可用的局部最优解。
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