动态规划

Dynamic Programming

ZingLix November 25, 2018

动态规划与分治类似,都是通过拆分成子问题再组合来得到结果,但是分治将问题划分成了互不相关的子问题,而动态规划适用于子问题重叠的情况。动态规划通常用来求解最优解。

原理

对于适用于动态规划的问题,要求其满足 最优子结构子问题重叠 两个要素。

最优子结构

最优子结构指的是对于一个规模的最优解,其包含的每个子问题都是最优解。有了这一性质就保证了我们可以先求解子问题的最优解,再用它来构造原问题的最优解。

“剪切-粘贴”法可以用来证明一个问题是否有最优子结构。先假设一个最优解的子问题并不是最优解,那么我们可以“剪切”掉非最优解,将最优解“粘贴”进去,如果得到一个更优的解,那么就具有最优子结构。

这一点就要求了 无后效性,即一个子问题的解不受到规模变大的影响,当解确定后就不会再改变。

子问题重叠

子问题重叠是动态规划算法相比朴素算法能够提升效率的关键。以求解 Fibonacci 数列为例

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int Fibonacci(int n){
    if (n == 0 || n == 1)
        return n;
    return Fibonacci(n - 1) + Fibonacci(n - 2);
}

这是一个很普通的以递归方式求 Fibonacci 数列的代码,但是当我们仔细分析递归过程后

\[\begin{align} Fib(5) & = Fib(4)+Fib(3)\\ & = (Fib(3)+Fib(2))+(Fib(2)+Fib(1))\\ & = ((Fib(2)+Fib(1))+(Fib(1)+Fib(0)))+((Fib(1)+Fib(0))+Fib(1))\\ & = (((Fib(1)+Fib(0))+Fib(1))+(Fib(1)+Fib(0)))+((Fib(1)+Fib(0))+Fib(1))\\ \end{align}\]

随着递归的深入,可以看到许多子问题,例如 Fib(2) 被反复求解,这种情况就被称为子问题重叠。动态规划算法则将子问题的结果放到一个表中,下一次再遇到时直接查表而非再次计算,通常这一做法可以将指数级的复杂度降到多项式级。

流程

有了这几个性质保证,动态规划的流程可以划分为:

  1. 刻画最优解的结构特征:寻找最优子结构
  2. 递归地定义最优解的值:利用最优子结构得到最优解与子问题最优解之间的关系
  3. 计算最优解的值:利用递归式计算,通常会采用自底向上的方法,也可以用递归加上簿记
  4. 构造最优解:又是还需要知道如何得到最优解就需要这一步骤,通常需要计算时保留更多的信息