最小编辑距离算法 Edit Distance(经典DP)

编辑距离(Edit Distance),又称Levenshtein距离,是指两个字串之间,由一个转成另一个所需的最少编辑操作次数。许可的编辑操作包括将一个字符替换成另一个字符,插入一个字符,删除一个字符。一般来说,编辑距离越小,两个串的相似度越大。

最小编辑距离模板:

int dp[1005][1005];     /*dp[i][j]表示表示A串从第0个字符开始到第i个字符和B串从第0个
字符开始到第j个字符,这两个字串的编辑距离。字符串的下标从1开始。*/
char a[1005],b[1005];   //a,b字符串从下标1开始

int EditDis()
{
    int len1 = strlen(a+1);
    int len2 = strlen(b+1);
    //初始化
    for(int i=1;i<=len1;i++)
        for(int j=1;j<=len2;j++)
            dp[i][j] = INF;
    for(int i=1;i<=len1;i++)
        dp[i][0] = i;
    for(int j=1;j<=len2;j++)
        dp[0][j] = j;
    for(int i=1;i<=len1;i++)
    {
        for(int j=1;j<=len2;j++)
        {
            int flag;
            if(a[i]==b[j])
                flag=0;
            else
                flag=1;
            dp[i][j]=min(dp[i-1][j]+1,min(dp[i][j-1]+1,dp[i-1][j-1]+flag));
            //dp[i-1][j]+1表示删掉字符串a最后一个字符a[i]
            //dp[i][j-1]+1表示给字符串添加b最后一个字符
            //dp[i-1][j-1]+flag表示改变,相同则不需操作次数,不同则需要,用flag记录
        }
    }
    return dp[len1][len2];
}

概念

字符串的编辑距离,又称为Levenshtein距离,由俄罗斯的数学家Vladimir Levenshtein在1965年提出。是指利用字符操作,把字符串A转换成字符串B所需要的最少操作数。其中,字符操作包括:

  • 删除一个字符     a) Insert a character
  • 插入一个字符     b) Delete a character
  • 修改一个字符     c) Replace a character

例如对于字符串"if"和"iff",可以通过插入一个'f'或者删除一个'f'来达到目的。

  一般来说,两个字符串的编辑距离越小,则它们越相似。如果两个字符串相等,则它们的编辑距离(为了方便,本文后续出现的“距离”,如果没有特别说明,则默认为“编辑距离”)为0(不需要任何操作)。不难分析出,两个字符串的编辑距离肯定不超过它们的最大长度(可以通过先把短串的每一位都修改成长串对应位置的字符,然后插入长串中的剩下字符)。



问题描述

给定两个字符串A和B,求字符串A至少经过多少步字符操作变成字符串B。 



问题分析

1)首先考虑A串的第一个字符

  假设存在两个字符串A和B,他们的长度分别是lenA和lenB。首先考虑第一个字符,由于他们是一样的,所以只需要计算A[2...lenA]和B[2...lenB]之间的距离即可。那么如果两个字符串的第一个字符不一样怎么办?可以考虑把第一个字符变成一样的(这里假设从A串变成B串):

  • 修改A串的第一个字符成B串的第一个字符,之后仅需要计算A[2...lenA]和B[2...lenB]的距离即可;
  • 删除A串的第一个字符,之后仅需要计算A[2...lenA]和B[1...lenB]的距离即可;
  • 把B串的第一个字符插入到A串的第一个字符之前,之后仅需要计算A[1...lenA]和B[2...lenB]的距离即可。

2)接下来考虑A串的第i个字符和B串的第j个字符。

  我们这个时候不考虑A的前i-1字符和B串的第j-1个字符。如果A串的第i个字符和B串的第j个字符相等,即A[i]=B[j],则只需要计算A[i...lenA]和B[j...lenB]之间的距离即可。如果不想等,则:

  • 修改A串的第i个字符成B串的第j个字符,之后仅需要计算A[i+1...lenA]和B[j+1...lenB]的距离即可;
  • 删除A串的第i个字符,之后仅需要计算A[i+1...lenA]和B[j...lenB]的距离即可;
  • 把B串的第j个字符插入到A串的第i个字符之前,之后仅需要计算A[i...lenA]和B[j+1...lenB]的距离即可。

  写到这里,自然会想到用递归求解或者动态规划求解,由于用递归会产生很多重复解,所以用动态规划。


建动态规划方程

  用edit[i][j]表示A串和B串的编辑距离。edit[i][j]表示A串从第0个字符开始到第i个字符和B串从第0个字符开始到第j个字符,这两个字串的编辑距离。字符串的下标从1开始。

  dis[0][0]表示word1和word2都为空的时候,此时他们的Edit Distance为0。很明显可以得出的,dis[0][j]就是word1为空,word2长度为j的情况,此时他们的Edit Distance为j,也就是从空,添加j个字符转换成word2的最小Edit Distance为j;同理dis[i][0]就是,word1长度为i,word2为空时,word1需要删除i个字符才能转换成空,所以转换成word2的最小Edit Distance为i。

  则从上面的分析,不难推导出动态规划方程:

,其中

上式中的min()函数中的三个部分,对应三种字符操作方式:

edit[i-1][j]+1相当于给word2的最后插入了word1的最后的字符,插入操作使得edit+1,之后计算edit[i-1][j];

edit[i][j-1]+1相当于将word2的最后字符删除,删除操作edit+1,之后计算edit[i][j-1];

edit[i-1][j-1]+flag相当于通过将word2的最后一个字符替换为word1的最后一个字符。flag标记替换的有效次数。



算法分析: 

  也就是说,就是将一个字符串变成另外一个字符串所用的最少操作数,每次只能增加、删除或者替换一个字符。
  首先我们令word1和word2分别为:michaelab和michaelxy(为了理解简单,我们假设word1和word2字符长度是一样的),dis[i][j]作为word1和word2之间的Edit Distance,我们要做的就是求出michaelx到michaely的最小steps。

  首先解释下dis[i][j]:它是指word1[i]和word2[j]的Edit Distance。dis[0][0]表示word1和word2都为空的时候,此时他们的Edit Distance为0。很明显可以得出的,dis[0][j]就是word1为空,word2长度为j的情况,此时他们的Edit Distance为j,也就是从空,添加j个字符转换成word2的最小Edit Distance为j;同理dis[i][0]就是,word1长度为i,word2为空时,word1需要删除i个字符才能转换成空,所以转换成word2的最小Edit Distance为i。下面及时初始化代码:

       for (int i = 0; i < row; i++) dis[i][0] = i;
       for (int j = 0; j < col; j++) dis[0][j] = j;



    下面来分析下题目规定的三个操作:添加,删除,替换。
    假设word1[i]和word2[j](此处i = j)分别为:michaelab和michaelxy
    如果b==y, 
        那么:dis[i][j] = dis[i-1][j-1]。                                                              
    如果b!=y,
        那么:添加:也就是在michaelab后面添加一个y,那么word1就变成了michaelaby,
             此时  dis[i][j] = 1 + dis[i][j-1];
    上式中,1代表刚刚的添加操作,添加操作后,word1变成michaelaby,word2为michaelxy。
    dis[i][j-1]代表从word1[i]转换成word2[j-1]的最小Edit Distance,也就是michaelab转换成michaelx的最小
    Edit Distance,由于两个字符串尾部的y==y,所以只需要将michaelab变成michaelx就可以了,而他们之间的最
    小Edit Distance就是dis[i][j-1]。

    删除:也就是将michaelab后面的b删除,那么word1就变成了michaela,此时dis[i][j] = 1 + dis[i-1][j];
    上式中,1代表刚刚的删除操作,删除操作后,word1变成michaela,word2为michaelxy。dis[i-1][j]代表从
    word[i-1]转换成word[j]的最小Edit Distance,也就是michaela转换成michaelxy的最小Edit Distance,所以
    只需要将michaela变成michaelxy就可以了,而他们之间的最小Edit Distance就是dis[i-1][j]。

    替换:也就是将michaelab后面的b替换成y,那么word1就变成了michaelay,此时dis[i][j] = 1 + dis[i-1][j-1];
    上式中,1代表刚刚的替换操作,替换操作后,word1变成michaelay,word2为michaelxy。dis[i-1][j-1]代表从
    word[i-1]转换成word[j-1]的最小Edit Distance,也即是michaelay转换成michaelxy的最小Edit Distance,由
    于两个字符串尾部的y==y,所以只需要将michaela变成michaelx就可以了,而他们之间的最小Edit Distance就是
    dis[i-1][j-1]。


举例:
比如要计算cafe和coffee的编辑距离。cafe→caffe→coffe→coffee
先创建一个6×8的表(cafe长度为4,coffee长度为6,各加2)
(1):
      c o f f e e
                       
c                     
a                     
f                     
e                1
接着,在如下位置填入数字(表2):
      c o f f e e
   0 1 2 3 4 5 6
c 1                  
a 2                  
f 3                  
e 4             2
从3,3格开始,开始计算。取以下三个值的最小值:
  • 如果最上方的字符等于最左方的字符,则为左上方的数字。否则为左上方的数字+1。(对于3,3来说为0)
  • 左方数字+1(对于3,3格来说为2)
  • 上方数字+1(对于3,3格来说为2)
因此为格3,3为0(表3)
      c o f f e e
   0 1 2 3 4 5 6
c 1   0                
a 2                  
f 3                  
e 4             3     
循环操作,推出下表
      c o f f e e
   0 1 2 3 4 5 6
c 1 0 1 2 3    4    5   
a 2 1 1 2 3 4 5
f 3 2 2 1 2 3 4
e 4 3 3 2 2 2 3
取右下角,得编辑距离为3



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