动态规划:买卖股票的最佳时机 通用框架

买卖股票的最佳时机 通用框架

1,买卖股票问题的六种类型

买卖股票的最佳时机
买卖股票的最佳时机 II
买卖股票的最佳时机 III
买卖股票的最佳时机 IV
最佳买卖股票时机含冷冻期
买卖股票的最佳时机

2,股票问题分析

1,穷举状态框架

a,	对于买卖股票问题,买 ,卖,无操作 三种操作,对于数组中所有的元素,除了开始状态,也就是 base case 都有一个前操作,
	买 or 卖 or 误操作;
b,	同时,交易的次数 k 也影响着后续状态方程的搭建;

c,	[状态] 有三个,第一个是 天数(数组长度),第二个是 允许交易的最大次数,
	第三个是 当前的持有状态(用 1表示现在手中持有股票, 0则没有)我们用一个三维数组来表示这几种状态的全部组合
dp[i][k][0 or 1]
0 <= i <= n-1, 1 <= k <= K
n 为天数,大 K 为最多交易数
此问题共 n × K × 2 种状态,全部穷举就能搞定。

for 0 <= i < n:
    for 1 <= k <= K:
        for s in {0, 1}:
            dp[i][k][s] = max(buy, sell, rest)


	我们可以用自然语言描述出每一个状态的含义:
	比如说 dp[3][2][1] 的含义就是:今天是第三天,我现在手上持有着股票,	至今最多进行 2 次交易。
	再比如 dp[2][3][0] 的含义:今天是第二天,我现在手上没有持有股票,至今最多进行 3 次交易。

2,状态转移框架

对于买卖股票状态的更新,是如何操作的呢?
dp[i][k][0] = max(dp[i-1][k][0], dp[i-1][k][1] + prices[i])
              max(   选择 rest  ,           选择 sell      )
/*
解释:今天我没有持有股票,有两种可能:
要么是我昨天就没有持有,然后今天选择 rest,所以我今天还是没有持有;
要么是我昨天持有股票,但是今天我 sell 了,所以我今天没有持有股票了。
*/
dp[i][k][1] = max(dp[i-1][k][1], dp[i-1][k-1][0] - prices[i])
              max(   选择 rest  ,           选择 buy         )
/*
解释:今天我持有着股票,有两种可能:
要么我昨天就持有着股票,然后今天选择 rest,所以我今天还持有着股票;
要么我昨天本没有持有,但今天我选择 buy,所以今天我就持有股票了。
*/
除了刚刚可以套用的框架,我们还需要解决最基本的状态,也就是 base case
dp[-1][k][0] = 0
//解释:因为 i 是从 0 开始的,所以 i = -1 意味着还没有开始,这时候的利润当然是 0 。
dp[-1][k][1] = -infinity
//解释:还没开始的时候,是不可能持有股票的,用负无穷表示这种不可能。
dp[i][0][0] = 0
//解释:因为 k 是从 1 开始的,所以 k = 0 意味着根本不允许交易,这时候利润当然是 0 。
dp[i][0][1] = -infinity
//解释:不允许交易的情况下,是不可能持有股票的,用负无穷表示这种不可能。

3,实例求解

1,k=1

	直接使用状态转移方程,根据base case,化简
dp[i][1][0] = max(dp[i-1][1][0], dp[i-1][1][1] + prices[i])
dp[i][1][1] = max(dp[i-1][1][1], dp[i-1][0][0] - prices[i]) 
            = max(dp[i-1][1][1], -prices[i])
 /*
解释:k = 0 的 base case,所以 dp[i-1][0][0] = 0。

现在发现 k 都是 1,不会改变,即 k 对状态转移已经没有影响了。
可以进行进一步化简去掉所有 k:
*/
dp[i][0] = max(dp[i-1][0], dp[i-1][1] + prices[i])
dp[i][1] = max(dp[i-1][1], -prices[i])
直接写出代码如下(包括了对 base case 的处理)
for (int i = 0; i < n; i++) {
    if (i - 1 == -1) {
        dp[i][0] = 0;
        // 解释:
        //   dp[i][0] 
        // = max(dp[-1][0], dp[-1][1] + prices[i])
        // = max(0, -infinity + prices[i]) = 0
        dp[i][1] = -prices[i];
        //解释:
        //   dp[i][1] 
        // = max(dp[-1][1], dp[-1][0] - prices[i])
        // = max(-infinity, 0 - prices[i]) 
        // = -prices[i]
        continue;
    }
    dp[i][0] = Math.max(dp[i-1][0], dp[i-1][1] + prices[i]);
    dp[i][1] = Math.max(dp[i-1][1], -prices[i]);
}
return dp[n - 1][0];
------------------------------------------------------------
// 更简单的话就转化为下面这个形式
// k == 1
int maxProfit_k_1(int[] prices) {
    int n = prices.length;
    // base case: dp[-1][0] = 0, dp[-1][1] = -infinity
    int dp_i_0 = 0, dp_i_1 = Integer.MIN_VALUE;
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        // dp[i][0] = max(dp[i-1][0], dp[i-1][1] + prices[i])
        dp_i_0 = Math.max(dp_i_0, dp_i_1 + prices[i]);
        // dp[i][1] = max(dp[i-1][1], -prices[i])
        dp_i_1 = Math.max(dp_i_1, -prices[i]);
    }
    return dp_i_0;
}

2,k=+infinity

如果 k 为正无穷,那么就可以认为 k 和 k-1 是一样的。
dp[i][k][0] = max(dp[i-1][k][0], dp[i-1][k][1] + prices[i])
dp[i][k][1] = max(dp[i-1][k][1], dp[i-1][k-1][0] - prices[i])
            = max(dp[i-1][k][1], dp[i-1][k][0] - prices[i])
            
//我们发现数组中的 k 已经不会改变了,也就是说不需要记录 k 这个状态了:
dp[i][0] = max(dp[i-1][0], dp[i-1][1] + prices[i])
dp[i][1] = max(dp[i-1][1], dp[i-1][0] - prices[i])

代码如下:
int maxProfit_k_inf(int[] prices) {
    int n = prices.length;
    int dp_i_0 = 0, dp_i_1 = Integer.MIN_VALUE;
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        int temp = dp_i_0;
        dp_i_0 = Math.max(dp_i_0, dp_i_1 + prices[i]);
        dp_i_1 = Math.max(dp_i_1, temp - prices[i]);
    }
    return dp_i_0;
}

3,k=+infinity with cooldown

每次 sell 之后要等一天才能继续交易,把这个特点融入到上一个的状态转移方程即可:
dp[i][0] = max(dp[i-1][0], dp[i-1][1] + prices[i])
dp[i][1] = max(dp[i-1][1], dp[i-2][0] - prices[i])

//解释:第 i 天选择 buy 的时候,要从 i-2 的状态转移,而不是 i-1 。
代码展示:
int maxProfit_with_cool(int[] prices) {
   int n = prices.length;
   int dp_i_0 = 0, dp_i_1 = Integer.MIN_VALUE;
   int dp_pre_0 = 0; // 代表 dp[i-2][0]
   for (int i = 0; i < n; i++) {
       int temp = dp_i_0;
       dp_i_0 = Math.max(dp_i_0, dp_i_1 + prices[i]);
       dp_i_1 = Math.max(dp_i_1, dp_pre_0 - prices[i]);
       dp_pre_0 = temp;
   }
   return dp_i_0;
}

4,k= +infinity with fee

每次交易要支付手续费,只要把手续费从利润中减去即可。
dp[i][0] = max(dp[i-1][0], dp[i-1][1] + prices[i])
dp[i][1] = max(dp[i-1][1], dp[i-1][0] - prices[i] - fee)
/*
解释:相当于买入股票的价格升高了。
在第一个式子里减也是一样的,相当于卖出股票的价格减小了。
*/
代码展示:
int maxProfit_with_fee(int[] prices, int fee) {
    int n = prices.length;
    int dp_i_0 = 0, dp_i_1 = Integer.MIN_VALUE;
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        int temp = dp_i_0;
        dp_i_0 = Math.max(dp_i_0, dp_i_1 + prices[i]);
        dp_i_1 = Math.max(dp_i_1, temp - prices[i] - fee);
    }
    return dp_i_0;
}

5,k=2

	这个时候就不能直接把 2 给忽视掉,要进行关于 k 状态的穷举
//原始的动态转移方程,没有可化简的地方
dp[i][k][0] = max(dp[i-1][k][0], dp[i-1][k][1] + prices[i])
dp[i][k][1] = max(dp[i-1][k][1], dp[i-1][k-1][0] - prices[i])
代码展示:
int max_k = 2;
int[][][] dp = new int[n][max_k + 1][2];
for (int i = 0; i < n; i++) {
    for (int k = max_k; k >= 1; k--) {
        if (i - 1 == -1) { /*处理 base case */ }
        dp[i][k][0] = max(dp[i-1][k][0], dp[i-1][k][1] + prices[i]);
        dp[i][k][1] = max(dp[i-1][k][1], dp[i-1][k-1][0] - prices[i]);
    }
}
// 穷举了 n × max_k × 2 个状态,正确。
return dp[n - 1][max_k][0];
---------------------------------------------------------------------------
// 和下面这个列举相同
dp[i][2][0] = max(dp[i-1][2][0], dp[i-1][2][1] + prices[i])
dp[i][2][1] = max(dp[i-1][2][1], dp[i-1][1][0] - prices[i])
dp[i][1][0] = max(dp[i-1][1][0], dp[i-1][1][1] + prices[i])
dp[i][1][1] = max(dp[i-1][1][1], -prices[i])

int maxProfit_k_2(int[] prices) {
    int dp_i10 = 0, dp_i11 = Integer.MIN_VALUE;
    int dp_i20 = 0, dp_i21 = Integer.MIN_VALUE;
    for (int price : prices) {
        dp_i20 = Math.max(dp_i20, dp_i21 + price);
        dp_i21 = Math.max(dp_i21, dp_i10 - price);
        dp_i10 = Math.max(dp_i10, dp_i11 + price);
        dp_i11 = Math.max(dp_i11, -price);
    }
    return dp_i20;
}

6,k = any integer

	交易数 k 过大会导致超内存错误,所以要进行处理。而一次交易由买入和卖出构成,至少需要两天。
	所以说有效的限制 k 应该不超过 n/2,如果超过,就没有约束作用了,相当于 k = +infinity。
int maxProfit_k_any(int max_k, int[] prices) {
    int n = prices.length;
    if (max_k > n / 2) 
        return maxProfit_k_inf(prices);

    int[][][] dp = new int[n][max_k + 1][2];
    for (int i = 0; i < n; i++) 
        for (int k = max_k; k >= 1; k--) {
            if (i - 1 == -1) { /* 处理 base case */ }
            dp[i][k][0] = max(dp[i-1][k][0], dp[i-1][k][1] + prices[i]);
            dp[i][k][1] = max(dp[i-1][k][1], dp[i-1][k-1][0] - prices[i]);     
        }
    return dp[n - 1][max_k][0];
}

4, 泡泡

动态规划的过程就是分析的过程,根据前一个状态推导出后一个状态,推导方式从后往前。
而买卖股票问题,就是列举所有的状态,使用三维数组表示,可简化成二维数组。

5, 声明

这个方法是在做题的时候从下面这位大佬手中发现的,哈哈。

原作者:labuladong
链接:https://leetcode-cn.com/problems/two-sum/solution/yi-ge-tong-yong-fang-fa-tuan-mie-6-dao-gu-piao-wen/

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