LeetCode-动态规划总结（三）
最长公共子序列
对于两个子序列 S1 和 S2，找出它们最长的公共子序列。
定义一个二维数组 dp 用来存储最长公共子序列的长度，其中 dp[i][j] 表示 S1 的前 i 个字符与 S2 的前 j 个字符最长公共子序列的长度。考虑 S1i 与 S2j 值是否相等，分为两种情况：
- 当 S1i==S2j 时，那么就能在 S1 的前 i-1 个字符与 S2 的前 j-1 个字符最长公共子序列的基础上再加上 S1i 这个值，最长公共子序列长度加 1，即 dp[i][j] = dp[i-1][j-1] + 1。
- 当 S1i != S2j 时，此时最长公共子序列为 S1 的前 i-1 个字符和 S2 的前 j 个字符最长公共子序列，或者 S1 的前 i 个字符和 S2 的前 j-1 个字符最长公共子序列，取它们的最大者，即 dp[i][j] = max{ dp[i-1][j], dp[i][j-1] }。
综上，最长公共子序列的状态转移方程为：
对于长度为 N 的序列 S1 和长度为 M 的序列 S2，dp[N][M] 就是序列 S1 和序列 S2 的最长公共子序列长度。
与最长递增子序列相比，最长公共子序列有以下不同点：
- 针对的是两个序列，求它们的最长公共子序列。
- 在最长递增子序列中，dp[i] 表示以 Si 为结尾的最长递增子序列长度，子序列必须包含 Si ；在最长公共子序列中，dp[i][j] 表示 S1 中前 i 个字符与 S2 中前 j 个字符的最长公共子序列长度，不一定包含 S1i 和 S2j。
- 在求最终解时，最长公共子序列中 dp[N][M] 就是最终解，而最长递增子序列中 dp[N] 不是最终解，因为以 SN 为结尾的最长递增子序列不一定是整个序列最长递增子序列，需要遍历一遍 dp 数组找到最大者。
public int lengthOfLCS(int[] nums1, int[] nums2) {
int n1 = nums1.length, n2 = nums2.length;
int[][] dp = new int[n1 + 1][n2 + 1];
for (int i = 1; i <= n1; i++) {
for (int j = 1; j <= n2; j++) {
if (nums1[i - 1] == nums2[j - 1]) {
dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1] + 1;
} else {
dp[i][j] = Math.max(dp[i - 1][j], dp[i][j - 1]);
}
}
}
return dp[n1][n2];
}
0-1 背包
有一个容量为 N 的背包，要用这个背包装下物品的价值最大，这些物品有两个属性：体积 w 和价值 v。
这张表是至底向上，从左到右生成的。只要你能手工填写出上面这张表就算理解了01背包的动态规划算法。
原理：定义一个二维数组 dp 存储最大价值，其中 dp[i][j] 表示前 i 件物品体积不超过 j 的情况下能达到的最大价值。设第 i 件物品体积为 w，价值为 v，根据第 i 件物品是否添加到背包中，可以分两种情况讨论：
- 第 i 件物品没添加到背包，总体积不超过 j 的前 i 件物品的最大价值就是总体积不超过 j 的前 i-1 件物品的最大价值，dp[i][j] = dp[i - 1][j]。
- 第 i 件物品添加到背包中，dp[i][j] = dp[i - 1][j - w] + v。
第 i 件物品可添加也可以不添加，取决于哪种情况下最大价值更大。因此，0-1 背包的状态转移方程为：
public int knapsack(int N, int W, int[] w, int[] v) {
int[][] dp = new int[N + 1][W + 1];
for (int i = 1; i <= N; i++) {
int weight = w[i - 1], value = v[i - 1];
for (int j = 1; j <= W; j++) {
if (j >= weight) {
dp[i][j] = Math.max(dp[i - 1][j], dp[i - 1][j - weight] + value);
} else {
dp[i][j] = dp[i - 1][j];
}
}
}
items = new int[N + 1];
for (int i = 1; i <= N; i++) {
for (int j = 1; j <= W; j++) {
findWhat(dp, i, j, w, v);
}
}
return dp[N][W];
}
//寻找解的组成方式
public void findWhat(int[][] dp, int i, int j, int[] w, int[] v) {
if (i >= 1) {
if (dp[i][j] == dp[i - 1][j]) {
items[i] = 0;
findWhat(dp, i - 1, j, w, v);
} else if (j >= w[i - 1] && dp[i][j] == dp[i - 1][j - w[i - 1]] + v[i - 1]) {
items[i] = 1;
findWhat(dp, i - 1, j - w[i - 1], w, v);
}
}
}
空间优化
在程序实现时可以对 0-1 背包做优化。观察状态转移方程可以知道，前 i 件物品的状态仅与前 i-1 件物品的状态有关，当我们把第二层循环颠倒过来时，当我们要求dp[j]时，dp[j - 1]到dp[1]还保存着下面一行的状态，因此可以采用一维数组解决。其中 dp[j] 既可以表示 dp[i - 1][j] 也可以表示 dp[i][j]。此时，
因为 dp[j - w] 表示 dp[i - 1][j - w]，因此不能顺序求，以防将 dp[i - 1][j - w] 覆盖。我们可以考虑一下假如不把第二层循环颠倒，当要求dp[j]时，dp[j - 1]到dp[1]已经是同一行的状态了，因此在求后面的最优价值时前面的状态已经被覆盖，因此应该采用倒序。
public int optimizerBlag(int N, int W, int[] w, int[] v) {
int[] dp = new int[W + 1];
for (int i = 1; i <= N; i++) {
int weight = w[i - 1], value = v[i - 1];
for (int j = W; j >= 1; j--) {
if (j >= weight) {
dp[j] = Math.max(dp[j], dp[j - weight] + value);
}
}
}
return dp[W];
}
优化前后算法对比
对于优化前的算法，不足之处在于空间开销大，数据的存储得用到二维数组，但优点是可以找出最优解的组成；优化后，可以使得空间效率从O(n*c)转化为O©，遗憾的是，虽然优化了空间，但优化后只能求出最优解，解组成的方式在该方法运行的时候已经被破坏掉。总之优化前后的算法各有优缺点，可以根据实际问题的需求选择不同的方式。
完全背包
完全背包是指每种物品都有无限件，可以放入也可以不放，求出使得背包装满价值最大的解。
其实对于这个问题，只需要将01背包优化代码中第二层循环中V的次序由倒序变为顺序即可。
首先想想为什么01背包中要按照v=V…0的逆序来循环。这是因为要保证第i次循环中的状态dp[i][j]是由状态dp[i - 1] [j - w]递推而来。换句话说，这正是为了保证每件物品只选一次。而现在完全背包的特点恰是每种物品可选无限件，所以在考虑加选一件第i种物品”这种策略时，却正需要一个可能已选入第i种物品的子结果dp[i][j - w]，所以就可以采用v=0…V的顺序循环。
该思路的状态转移方程为：
利用一维数组实现的状态转移方程：
在完全背包中，当计算dp[j]时，dp[1]-dp[j - 1]表示的就不再是前一状态的最大价值，而是在当前状态的基础上，再考虑是否装或者不装。
其它变种
-
多重背包：物品数量有限制
-
多维费用背包：物品不仅有重量，还有体积，同时考虑这两种限制
-
其它：物品之间相互约束或者依赖
划分数组为和相等的两部分
416. Partition Equal Subset Sum (Medium)
Input: [1, 5, 11, 5]
Output: true
Explanation: The array can be partitioned as [1, 5, 5] and [11].
可以看成一个背包大小为 sum/2 的 0-1 背包问题。
class Solution {
public boolean canPartition(int[] nums) {
if (null == nums || 0 == nums.length) {
return false;
}
int sum = 0;
for (int num : nums) {
sum += num;
}
if (sum % 2 != 0) {
return false;
}
int W = sum / 2;
boolean[] dp = new boolean[W + 1];
dp[0] = true;
for (int i = 1; i <= nums.length; i++) {
int w = nums[i - 1];
for (int j = W; j >= 1; j--) {
if (j >= w) {
dp[j] = dp[j] | dp[j - w];
}
}
}
return dp[W];
}
}
改变一组数的正负号使得它们的和为一给定数
494. Target Sum (Medium)
Input: nums is [1, 1, 1, 1, 1], S is 3.
Output: 5
Explanation:
-1+1+1+1+1 = 3
+1-1+1+1+1 = 3
+1+1-1+1+1 = 3
+1+1+1-1+1 = 3
+1+1+1+1-1 = 3
There are 5 ways to assign symbols to make the sum of nums be target 3.
该问题可以转换为 Subset Sum 问题，从而使用 0-1 背包的方法来求解。
可以将这组数看成两部分，P 和 N，其中 P 使用正号，N 使用负号，有以下推导：
sum(P) - sum(N) = target
sum(P) + sum(N) + sum(P) - sum(N) = target + sum(P) + sum(N)
2 * sum(P) = target + sum(nums)
因此只要找到一个子集，令它们都取正号，并且和等于 (target + sum(nums))/2，就证明存在解。
class Solution {
public int findTargetSumWays(int[] nums, int S) {
if (null == nums || 0 == nums.length) {
return 0;
}
int sum = 0;
for (int num : nums) {
sum += num;
}
if ((sum + S) % 2 != 0) {
return 0;
}
int W = (sum + S) / 2;
int[] dp = new int[W + 1];
dp[0] = 1;
for (int i = 1; i <= nums.length; i++) {
int w = nums[i - 1];
for (int j = W; j >= 1; j--) {
if (j >= w) {
dp[j] = dp[j] + dp[j - w];
}
}
}
return dp[W];
}
}
字符串按单词列表分割
139. Word Break (Medium)
s = "leetcode",
dict = ["leet", "code"].
Return true because "leetcode" can be segmented as "leet code".
dict 中的单词没有使用次数的限制，因此这是一个完全背包问题。
0-1 背包和完全背包在实现上的不同之处是，0-1 背包对物品的迭代是在最外层，而完全背包对物品的迭代是在最里层。
class Solution{
public boolean wordBreak(String s, List<String> wordDict) {
int n = s.length();
boolean[] dp = new boolean[n + 1];
dp[0] = true;
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (String word : wordDict) { // 完全一个物品可以使用多次
int len = word.length();
if (len <= i && word.equals(s.substring(i - len, i))) {
dp[i] = dp[i] || dp[i - len];
}
}
}
return dp[n];
}
}
01 字符构成最多的字符串
474. Ones and Zeroes (Medium)
Input: Array = {"10", "0001", "111001", "1", "0"}, m = 5, n = 3
Output: 4
Explanation: There are totally 4 strings can be formed by the using of 5 0s and 3 1s, which are "10","0001","1","0"
这是一个多维费用的 0-1 背包问题，有两个背包大小，0 的数量和 1 的数量。
class Solution{
public int findMaxForm(String[] strs, int m, int n) {
if (strs == null || strs.length == 0) {
return 0;
}
int[][] dp = new int[m + 1][n + 1];
for (String s : strs) { // 每个字符串只能用一次
int ones = 0, zeros = 0;
for (char c : s.toCharArray()) {
if (c == '0') {
zeros++;
} else {
ones++;
}
}
for (int i = m; i >= zeros; i--) {
for (int j = n; j >= ones; j--) {
dp[i][j] = Math.max(dp[i][j], dp[i - zeros][j - ones] + 1);
}
}
}
return dp[m][n];
}
}
找零钱的最少硬币数
322. Coin Change (Medium)
Example 1:
coins = [1, 2, 5], amount = 11
return 3 (11 = 5 + 5 + 1)
Example 2:
coins = [2], amount = 3
return -1.
题目描述：给一些面额的硬币，要求用这些硬币来组成给定面额的钱数，并且使得硬币数量最少。硬币可以重复使用。
- 物品：硬币
- 物品大小：面额
- 物品价值：数量
因为硬币可以重复使用，因此这是一个完全背包问题。
class Solution { //二维数组
public int coinChange(int[] coins, int amount) {
if (null == coins || 0 == coins.length) {
return 0;
}
int n = coins.length;
int[][] dp = new int[n][amount + 1];
for (int i = 0; i < n; i++) {
Arrays.fill(dp[i], amount + 1);
dp[i][0] = 0;
}
for (int i = 1; i <= amount; i++) {
dp[0][i] = i % coins[0] == 0 ? i / coins[0] : amount + 1;
}
for (int i = 1; i < n; i++) {
for (int j = 1; j <= amount; j++) {
if (j >= coins[i]) {
dp[i][j] = Math.min(dp[i - 1][j], dp[i][j - coins[i]] + 1);
} else {
dp[i][j] = dp[i - 1][j];
}
}
}
return dp[n - 1][amount] > amount ? -1 : dp[n - 1][amount];
}
}
class Solution{ //一维数组
public int coinChange(int[] coins, int amount) {
if (coins == null || coins.length == 0) {
return 0;
}
int[] minimum = new int[amount + 1];
Arrays.fill(minimum, amount + 1);
minimum[0] = 0;
Arrays.sort(coins);
for (int i = 1; i <= amount; i++) {
for (int j = 0; j < coins.length && coins[j] <= i; j++) {
minimum[i] = Math.min(minimum[i], minimum[i - coins[j]] + 1);
}
}
return minimum[amount] > amount ? -1 : minimum[amount];
}
}
组合总和
377. Combination Sum IV (Medium)
nums = [1, 2, 3]
target = 4
The possible combination ways are:
(1, 1, 1, 1)
(1, 1, 2)
(1, 2, 1)
(1, 3)
(2, 1, 1)
(2, 2)
(3, 1)
Note that different sequences are counted as different combinations.
Therefore the output is 7.
完全背包。
class Soulution{
public int combinationSum4(int[] nums, int target) {
if (nums == null || nums.length == 0) {
return 0;
}
int[] maximum = new int[target + 1];
maximum[0] = 1;
Arrays.sort(nums);
for (int i = 1; i <= target; i++) {
for (int j = 0; j < nums.length && nums[j] <= i; j++) {
maximum[i] += maximum[i - nums[j]];
}
}
return maximum[target];
}
}