hello-algo/chapter_dynamic_programming/edit_distance_problem.md
2023-07-26 15:34:46 +08:00

680 lines
24 KiB
Markdown
Raw Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters

This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.

---
comments: true
status: new
---
# 14.6.   编辑距离问题
编辑距离,也被称为 Levenshtein 距离,指两个字符串之间互相转换的最小修改次数,通常用于在信息检索和自然语言处理中度量两个序列的相似度。
!!! question
输入两个字符串 $s$ 和 $t$ ,返回将 $s$ 转换为 $t$ 所需的最少编辑步数。
你可以在一个字符串中进行三种编辑操作:插入一个字符、删除一个字符、替换字符为任意一个字符。
如下图所示,将 `kitten` 转换为 `sitting` 需要编辑 3 步,包括 2 次替换操作与 1 次添加操作;将 `hello` 转换为 `algo` 需要 3 步,包括 2 次替换操作和 1 次删除操作。
![编辑距离的示例数据](edit_distance_problem.assets/edit_distance_example.png)
<p align="center"> Fig. 编辑距离的示例数据 </p>
**编辑距离问题可以很自然地用决策树模型来解释**。字符串对应树节点,一轮决策(一次编辑操作)对应树的一条边。
如下图所示,在不限制操作的情况下,每个节点都可以派生出许多条边,每条边对应一种操作,这意味着从 `hello` 转换到 `algo` 有许多种可能的路径。
从决策树的角度看,本题的目标是求解节点 `hello` 和节点 `algo` 之间的最短路径。
![基于决策树模型表示编辑距离问题](edit_distance_problem.assets/edit_distance_decision_tree.png)
<p align="center"> Fig. 基于决策树模型表示编辑距离问题 </p>
**第一步:思考每轮的决策,定义状态,从而得到 $dp$ 表**
每一轮的决策是对字符串 $s$ 进行一次编辑操作。
我们希望在编辑操作的过程中,问题的规模逐渐缩小,这样才能构建子问题。设字符串 $s$ 和 $t$ 的长度分别为 $n$ 和 $m$ ,我们先考虑两字符串尾部的字符 $s[n-1]$ 和 $t[m-1]$
- 若 $s[n-1]$ 和 $t[m-1]$ 相同,我们可以跳过它们,直接考虑 $s[n-2]$ 和 $t[m-2]$ 。
- 若 $s[n-1]$ 和 $t[m-1]$ 不同,我们需要对 $s$ 进行一次编辑(插入、删除、替换),使得两字符串尾部的字符相同,从而可以跳过它们,考虑规模更小的问题。
也就是说,我们在字符串 $s$ 中进行的每一轮决策(编辑操作),都会使得 $s$ 和 $t$ 中剩余的待匹配字符发生变化。因此,状态为当前在 $s$ , $t$ 中考虑的第 $i$ , $j$ 个字符,记为 $[i, j]$ 。
状态 $[i, j]$ 对应的子问题:**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**。
至此,得到一个尺寸为 $(i+1) \times (j+1)$ 的二维 $dp$ 表。
**第二步:找出最优子结构,进而推导出状态转移方程**
考虑子问题 $dp[i, j]$ ,其对应的两个字符串的尾部字符为 $s[i-1]$ 和 $t[j-1]$ ,可根据不同编辑操作分为三种情况:
1. 在 $s[i-1]$ 之后添加 $t[j-1]$ ,则剩余子问题 $dp[i, j-1]$ 。
2. 删除 $s[i-1]$ ,则剩余子问题 $dp[i-1, j]$ 。
3. 将 $s[i-1]$ 替换为 $t[j-1]$ ,则剩余子问题 $dp[i-1, j-1]$ 。
![编辑距离的状态转移](edit_distance_problem.assets/edit_distance_state_transfer.png)
<p align="center"> Fig. 编辑距离的状态转移 </p>
根据以上分析,可得最优子结构:$dp[i, j]$ 的最少编辑步数等于 $dp[i, j-1]$ , $dp[i-1, j]$ , $dp[i-1, j-1]$ 三者中的最少编辑步数,再加上本次的编辑步数 $1$ 。对应的状态转移方程为:
$$
dp[i, j] = \min(dp[i, j-1], dp[i-1, j], dp[i-1, j-1]) + 1
$$
请注意,**当 $s[i-1]$ 和 $t[j-1]$ 相同时,无需编辑当前字符**,这种情况下的状态转移方程为:
$$
dp[i, j] = dp[i-1, j-1]
$$
**第三步:确定边界条件和状态转移顺序**
当两字符串都为空时,编辑步数为 $0$ ,即 $dp[0, 0] = 0$ 。当 $s$ 为空但 $t$ 不为空时,最少编辑步数等于 $t$ 的长度,即首行 $dp[0, j] = j$ 。当 $s$ 不为空但 $t$ 为空时,等于 $s$ 的长度,即首列 $dp[i, 0] = i$ 。
观察状态转移方程,解 $dp[i, j]$ 依赖左方、上方、左上方的解,因此通过两层循环正序遍历整个 $dp$ 表即可。
### 代码实现
=== "Java"
```java title="edit_distance.java"
/* 编辑距离:动态规划 */
int editDistanceDP(String s, String t) {
int n = s.length(), m = t.length();
int[][] dp = new int[n + 1][m + 1];
// 状态转移:首行首列
for (int i = 1; i <= n; i++) {
dp[i][0] = i;
}
for (int j = 1; j <= m; j++) {
dp[0][j] = j;
}
// 状态转移:其余行列
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int j = 1; j <= m; j++) {
if (s.charAt(i - 1) == t.charAt(j - 1)) {
// 若两字符相等,则直接跳过此两字符
dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1];
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[i][j] = Math.min(Math.min(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j]), dp[i - 1][j - 1]) + 1;
}
}
}
return dp[n][m];
}
```
=== "C++"
```cpp title="edit_distance.cpp"
/* 编辑距离:动态规划 */
int editDistanceDP(string s, string t) {
int n = s.length(), m = t.length();
vector<vector<int>> dp(n + 1, vector<int>(m + 1, 0));
// 状态转移:首行首列
for (int i = 1; i <= n; i++) {
dp[i][0] = i;
}
for (int j = 1; j <= m; j++) {
dp[0][j] = j;
}
// 状态转移:其余行列
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int j = 1; j <= m; j++) {
if (s[i - 1] == t[j - 1]) {
// 若两字符相等,则直接跳过此两字符
dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1];
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[i][j] = min(min(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j]), dp[i - 1][j - 1]) + 1;
}
}
}
return dp[n][m];
}
```
=== "Python"
```python title="edit_distance.py"
def edit_distance_dp(s: str, t: str) -> int:
"""编辑距离:动态规划"""
n, m = len(s), len(t)
dp = [[0] * (m + 1) for _ in range(n + 1)]
# 状态转移:首行首列
for i in range(1, n + 1):
dp[i][0] = i
for j in range(1, m + 1):
dp[0][j] = j
# 状态转移:其余行列
for i in range(1, n + 1):
for j in range(1, m + 1):
if s[i - 1] == t[j - 1]:
# 若两字符相等,则直接跳过此两字符
dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1]
else:
# 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[i][j] = min(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j], dp[i - 1][j - 1]) + 1
return dp[n][m]
```
=== "Go"
```go title="edit_distance.go"
/* 编辑距离:动态规划 */
func editDistanceDP(s string, t string) int {
n := len(s)
m := len(t)
dp := make([][]int, n+1)
for i := 0; i <= n; i++ {
dp[i] = make([]int, m+1)
}
// 状态转移:首行首列
for i := 1; i <= n; i++ {
dp[i][0] = i
}
for j := 1; j <= m; j++ {
dp[0][j] = j
}
// 状态转移:其余行列
for i := 1; i <= n; i++ {
for j := 1; j <= m; j++ {
if s[i-1] == t[j-1] {
// 若两字符相等,则直接跳过此两字符
dp[i][j] = dp[i-1][j-1]
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[i][j] = MinInt(MinInt(dp[i][j-1], dp[i-1][j]), dp[i-1][j-1]) + 1
}
}
}
return dp[n][m]
}
```
=== "JS"
```javascript title="edit_distance.js"
[class]{}-[func]{editDistanceDP}
```
=== "TS"
```typescript title="edit_distance.ts"
[class]{}-[func]{editDistanceDP}
```
=== "C"
```c title="edit_distance.c"
[class]{}-[func]{editDistanceDP}
```
=== "C#"
```csharp title="edit_distance.cs"
/* 编辑距离:动态规划 */
int editDistanceDP(string s, string t) {
int n = s.Length, m = t.Length;
int[,] dp = new int[n + 1, m + 1];
// 状态转移:首行首列
for (int i = 1; i <= n; i++) {
dp[i, 0] = i;
}
for (int j = 1; j <= m; j++) {
dp[0, j] = j;
}
// 状态转移:其余行列
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int j = 1; j <= m; j++) {
if (s[i - 1] == t[j - 1]) {
// 若两字符相等,则直接跳过此两字符
dp[i, j] = dp[i - 1, j - 1];
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[i, j] = Math.Min(Math.Min(dp[i, j - 1], dp[i - 1, j]), dp[i - 1, j - 1]) + 1;
}
}
}
return dp[n, m];
}
```
=== "Swift"
```swift title="edit_distance.swift"
/* 编辑距离:动态规划 */
func editDistanceDP(s: String, t: String) -> Int {
let n = s.utf8CString.count
let m = t.utf8CString.count
var dp = Array(repeating: Array(repeating: 0, count: m + 1), count: n + 1)
// 状态转移:首行首列
for i in stride(from: 1, through: n, by: 1) {
dp[i][0] = i
}
for j in stride(from: 1, through: m, by: 1) {
dp[0][j] = j
}
// 状态转移:其余行列
for i in stride(from: 1, through: n, by: 1) {
for j in stride(from: 1, through: m, by: 1) {
if s.utf8CString[i - 1] == t.utf8CString[j - 1] {
// 若两字符相等,则直接跳过此两字符
dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1]
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[i][j] = min(min(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j]), dp[i - 1][j - 1]) + 1
}
}
}
return dp[n][m]
}
```
=== "Zig"
```zig title="edit_distance.zig"
// 编辑距离:动态规划
fn editDistanceDP(comptime s: []const u8, comptime t: []const u8) i32 {
comptime var n = s.len;
comptime var m = t.len;
var dp = [_][m + 1]i32{[_]i32{0} ** (m + 1)} ** (n + 1);
// 状态转移:首行首列
for (1..n + 1) |i| {
dp[i][0] = @intCast(i);
}
for (1..m + 1) |j| {
dp[0][j] = @intCast(j);
}
// 状态转移:其余行列
for (1..n + 1) |i| {
for (1..m + 1) |j| {
if (s[i - 1] == t[j - 1]) {
// 若两字符相等,则直接跳过此两字符
dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1];
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[i][j] = @min(@min(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j]), dp[i - 1][j - 1]) + 1;
}
}
}
return dp[n][m];
}
```
=== "Dart"
```dart title="edit_distance.dart"
[class]{}-[func]{editDistanceDP}
```
=== "Rust"
```rust title="edit_distance.rs"
/* 编辑距离:动态规划 */
fn edit_distance_dp(s: &str, t: &str) -> i32 {
let (n, m) = (s.len(), t.len());
let mut dp = vec![vec![0; m + 1]; n + 1];
// 状态转移:首行首列
for i in 1..= n {
dp[i][0] = i as i32;
}
for j in 1..m {
dp[0][j] = j as i32;
}
// 状态转移:其余行列
for i in 1..=n {
for j in 1..=m {
if s.chars().nth(i - 1) == t.chars().nth(j - 1) {
// 若两字符相等,则直接跳过此两字符
dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1];
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[i][j] = std::cmp::min(std::cmp::min(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j]), dp[i - 1][j - 1]) + 1;
}
}
}
dp[n][m]
}
```
如下图所示,编辑距离问题的状态转移过程与背包问题非常类似,都可以看作是填写一个二维网格的过程。
=== "<1>"
![编辑距离的动态规划过程](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step1.png)
=== "<2>"
![edit_distance_dp_step2](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step2.png)
=== "<3>"
![edit_distance_dp_step3](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step3.png)
=== "<4>"
![edit_distance_dp_step4](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step4.png)
=== "<5>"
![edit_distance_dp_step5](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step5.png)
=== "<6>"
![edit_distance_dp_step6](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step6.png)
=== "<7>"
![edit_distance_dp_step7](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step7.png)
=== "<8>"
![edit_distance_dp_step8](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step8.png)
=== "<9>"
![edit_distance_dp_step9](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step9.png)
=== "<10>"
![edit_distance_dp_step10](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step10.png)
=== "<11>"
![edit_distance_dp_step11](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step11.png)
=== "<12>"
![edit_distance_dp_step12](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step12.png)
=== "<13>"
![edit_distance_dp_step13](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step13.png)
=== "<14>"
![edit_distance_dp_step14](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step14.png)
=== "<15>"
![edit_distance_dp_step15](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step15.png)
### 状态压缩
由于 $dp[i,j]$ 是由上方 $dp[i-1, j]$ 、左方 $dp[i, j-1]$ 、左上方状态 $dp[i-1, j-1]$ 转移而来,而正序遍历会丢失左上方 $dp[i-1, j-1]$ ,倒序遍历无法提前构建 $dp[i, j-1]$ ,因此两种遍历顺序都不可取。
为此,我们可以使用一个变量 `leftup` 来暂存左上方的解 $dp[i-1, j-1]$ ,从而只需考虑左方和上方的解。此时的情况与完全背包问题相同,可使用正序遍历。
=== "Java"
```java title="edit_distance.java"
/* 编辑距离:状态压缩后的动态规划 */
int editDistanceDPComp(String s, String t) {
int n = s.length(), m = t.length();
int[] dp = new int[m + 1];
// 状态转移:首行
for (int j = 1; j <= m; j++) {
dp[j] = j;
}
// 状态转移:其余行
for (int i = 1; i <= n; i++) {
// 状态转移:首列
int leftup = dp[0]; // 暂存 dp[i-1, j-1]
dp[0] = i;
// 状态转移:其余列
for (int j = 1; j <= m; j++) {
int temp = dp[j];
if (s.charAt(i - 1) == t.charAt(j - 1)) {
// 若两字符相等,则直接跳过此两字符
dp[j] = leftup;
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[j] = Math.min(Math.min(dp[j - 1], dp[j]), leftup) + 1;
}
leftup = temp; // 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
}
}
return dp[m];
}
```
=== "C++"
```cpp title="edit_distance.cpp"
/* 编辑距离:状态压缩后的动态规划 */
int editDistanceDPComp(string s, string t) {
int n = s.length(), m = t.length();
vector<int> dp(m + 1, 0);
// 状态转移:首行
for (int j = 1; j <= m; j++) {
dp[j] = j;
}
// 状态转移:其余行
for (int i = 1; i <= n; i++) {
// 状态转移:首列
int leftup = dp[0]; // 暂存 dp[i-1, j-1]
dp[0] = i;
// 状态转移:其余列
for (int j = 1; j <= m; j++) {
int temp = dp[j];
if (s[i - 1] == t[j - 1]) {
// 若两字符相等,则直接跳过此两字符
dp[j] = leftup;
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[j] = min(min(dp[j - 1], dp[j]), leftup) + 1;
}
leftup = temp; // 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
}
}
return dp[m];
}
```
=== "Python"
```python title="edit_distance.py"
def edit_distance_dp_comp(s: str, t: str) -> int:
"""编辑距离:状态压缩后的动态规划"""
n, m = len(s), len(t)
dp = [0] * (m + 1)
# 状态转移:首行
for j in range(1, m + 1):
dp[j] = j
# 状态转移:其余行
for i in range(1, n + 1):
# 状态转移:首列
leftup = dp[0] # 暂存 dp[i-1, j-1]
dp[0] += 1
# 状态转移:其余列
for j in range(1, m + 1):
temp = dp[j]
if s[i - 1] == t[j - 1]:
# 若两字符相等,则直接跳过此两字符
dp[j] = leftup
else:
# 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[j] = min(dp[j - 1], dp[j], leftup) + 1
leftup = temp # 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
return dp[m]
```
=== "Go"
```go title="edit_distance.go"
/* 编辑距离:状态压缩后的动态规划 */
func editDistanceDPComp(s string, t string) int {
n := len(s)
m := len(t)
dp := make([]int, m+1)
// 状态转移:首行
for j := 1; j <= m; j++ {
dp[j] = j
}
// 状态转移:其余行
for i := 1; i <= n; i++ {
// 状态转移:首列
leftUp := dp[0] // 暂存 dp[i-1, j-1]
dp[0] = i
// 状态转移:其余列
for j := 1; j <= m; j++ {
temp := dp[j]
if s[i-1] == t[j-1] {
// 若两字符相等,则直接跳过此两字符
dp[j] = leftUp
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[j] = MinInt(MinInt(dp[j-1], dp[j]), leftUp) + 1
}
leftUp = temp // 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
}
}
return dp[m]
}
```
=== "JS"
```javascript title="edit_distance.js"
[class]{}-[func]{editDistanceDPComp}
```
=== "TS"
```typescript title="edit_distance.ts"
[class]{}-[func]{editDistanceDPComp}
```
=== "C"
```c title="edit_distance.c"
[class]{}-[func]{editDistanceDPComp}
```
=== "C#"
```csharp title="edit_distance.cs"
/* 编辑距离:状态压缩后的动态规划 */
int editDistanceDPComp(string s, string t) {
int n = s.Length, m = t.Length;
int[] dp = new int[m + 1];
// 状态转移:首行
for (int j = 1; j <= m; j++) {
dp[j] = j;
}
// 状态转移:其余行
for (int i = 1; i <= n; i++) {
// 状态转移:首列
int leftup = dp[0]; // 暂存 dp[i-1, j-1]
dp[0] = i;
// 状态转移:其余列
for (int j = 1; j <= m; j++) {
int temp = dp[j];
if (s[i - 1] == t[j - 1]) {
// 若两字符相等,则直接跳过此两字符
dp[j] = leftup;
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[j] = Math.Min(Math.Min(dp[j - 1], dp[j]), leftup) + 1;
}
leftup = temp; // 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
}
}
return dp[m];
}
```
=== "Swift"
```swift title="edit_distance.swift"
/* 编辑距离:状态压缩后的动态规划 */
func editDistanceDPComp(s: String, t: String) -> Int {
let n = s.utf8CString.count
let m = t.utf8CString.count
var dp = Array(repeating: 0, count: m + 1)
// 状态转移:首行
for j in stride(from: 1, through: m, by: 1) {
dp[j] = j
}
// 状态转移:其余行
for i in stride(from: 1, through: n, by: 1) {
// 状态转移:首列
var leftup = dp[0] // 暂存 dp[i-1, j-1]
dp[0] = i
// 状态转移:其余列
for j in stride(from: 1, through: m, by: 1) {
let temp = dp[j]
if s.utf8CString[i - 1] == t.utf8CString[j - 1] {
// 若两字符相等,则直接跳过此两字符
dp[j] = leftup
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[j] = min(min(dp[j - 1], dp[j]), leftup) + 1
}
leftup = temp // 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
}
}
return dp[m]
}
```
=== "Zig"
```zig title="edit_distance.zig"
// 编辑距离:状态压缩后的动态规划
fn editDistanceDPComp(comptime s: []const u8, comptime t: []const u8) i32 {
comptime var n = s.len;
comptime var m = t.len;
var dp = [_]i32{0} ** (m + 1);
// 状态转移:首行
for (1..m + 1) |j| {
dp[j] = @intCast(j);
}
// 状态转移:其余行
for (1..n + 1) |i| {
// 状态转移:首列
var leftup = dp[0]; // 暂存 dp[i-1, j-1]
dp[0] = @intCast(i);
// 状态转移:其余列
for (1..m + 1) |j| {
var temp = dp[j];
if (s[i - 1] == t[j - 1]) {
// 若两字符相等,则直接跳过此两字符
dp[j] = leftup;
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[j] = @min(@min(dp[j - 1], dp[j]), leftup) + 1;
}
leftup = temp; // 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
}
}
return dp[m];
}
```
=== "Dart"
```dart title="edit_distance.dart"
[class]{}-[func]{editDistanceDPComp}
```
=== "Rust"
```rust title="edit_distance.rs"
/* 编辑距离:状态压缩后的动态规划 */
fn edit_distance_dp_comp(s: &str, t: &str) -> i32 {
let (n, m) = (s.len(), t.len());
let mut dp = vec![0; m + 1];
// 状态转移:首行
for j in 1..m {
dp[j] = j as i32;
}
// 状态转移:其余行
for i in 1..=n {
// 状态转移:首列
let mut leftup = dp[0]; // 暂存 dp[i-1, j-1]
dp[0] = i as i32;
// 状态转移:其余列
for j in 1..=m {
let temp = dp[j];
if s.chars().nth(i - 1) == t.chars().nth(j - 1) {
// 若两字符相等,则直接跳过此两字符
dp[j] = leftup;
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[j] = std::cmp::min(std::cmp::min(dp[j - 1], dp[j]), leftup) + 1;
}
leftup = temp; // 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
}
}
dp[m]
}
```