看动画轻松理解「递归」与「动态规划」 (3)

下面通过表格来解释 f(n)自底向上的求解过程。

台阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9
走法数   1   2                              

表格的第一行代表了楼梯台阶的数目,第二行代表了若干台阶对应的走法数。
其中f(1) = 1 和 f(2) = 2是前面明确的结果。

第一次迭代,如果台阶数为 3 ,那么走法数为 3 ,通过 f(3) = f(2) + f(1)得来。

台阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9
走法数   1   2   3                          

第二次迭代,如果台阶数为 4 ,那么走法数为 5 ,通过 f(4) = f(3) + f(2)得来。

台阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9
走法数   1   2   3   5                      

看动画轻松理解「递归」与「动态规划」

由此可见,每一次迭代过程中,只需要保留之前的两个状态,就可以推到出新的状态。

show me the code

1int f(int n) {
2    if (n == 1) return 1;
3    if (n == 2) return 2;
4    // a 保存倒数第二个子状态数据,b 保存倒数第一个子状态数据, temp 保存当前状态的数据
5    int a = 1, b = 2;
6    int temp = a + b;
7    for (int i = 3; i <= n; i++) {
8        temp = a + b;
9        a = b;
10        b = temp; 
11    }
12    return temp; 
13}

程序从 i = 3 开始迭代,一直到 i = n 结束。每一次迭代,都会计算出多一级台阶的走法数量。迭代过程中只需保留两个临时变量 a 和 b ,分别代表了上一次和上上次迭代的结果。为了便于理解,引入了temp变量。temp代表了当前迭代的结果值。

看一看出,事实上并没有增加太多的代码,只是简单的进行了优化,时间复杂度便就降为O(n),而空间复杂度也变为O(1),这,就是「动态规划」的强大!

详解动态规划

「动态规划」中包含三个重要的概念:

【最优子结构】

【边界】

【状态转移公式】

在「 爬台阶问题 」中

f(10) = f(9) + f(8) 是【最优子结构】
f(1) 与 f(2) 是【边界】
f(n) = f(n-1) + f(n-2) 【状态转移公式】

「 爬台阶问题 」 只是动态规划中相对简单的问题,因为它只有一个变化维度,如果涉及多个维度的话,那么问题就变得复杂多了。

难点就在于找出 「动态规划」中的这三个概念。

比如「 国王和金矿问题 」。

国王和金矿问题

有一个国家发现了 5 座金矿,每座金矿的黄金储量不同,需要参与挖掘的工人数也不同。参与挖矿工人的总数是 10 人。每座金矿要么全挖,要么不挖,不能派出一半人挖取一半金矿。要求用程序求解出,要想得到尽可能多的黄金,应该选择挖取哪几座金矿?

 5 座金矿

5 座金矿

找出 「动态规划」中的这三个概念

国王和金矿问题中的【最优子结构】

国王和金矿问题中的【最优子结构】

国王和金矿问题中的【最优子结构】

国王和金矿问题中的【最优子结构】有两个:

① 4 金矿 10 工人的最优选择

② 4 金矿 (10 - 5) 工人的最优选择

4 金矿的最优选择与 5 金矿的最优选择之间的关系是

MAX[(4 金矿 10 工人的挖金数量),(4 金矿 5 工人的挖金数量 + 第 5 座金矿的挖金数量)]

国王和金矿问题中的【边界】

国王和金矿问题中的【边界】 有两个:

① 当只有 1 座金矿时,只能挖这座唯一的金矿,得到的黄金数量为该金矿的数量

② 当给定的工人数量不够挖 1 座金矿时,获取的黄金数量为 0

国王和金矿问题中的【状态转移公式】

我们把金矿数量设为 N,工人数设为 W,金矿的黄金量设为数组G[],金矿的用工量设为数组P[],得到【状态转移公式】:

边界值:F(n,w) = 0 (n <= 1, w < p[0])

F(n,w) = g[0] (n==1, w >= p[0])

F(n,w) = F(n-1,w) (n > 1, w < p[n-1])

F(n,w) = max(F(n-1,w), F(n-1,w-p[n-1]) + g[n-1]) (n &gt; 1, w &gt;= p[n-1])

国王和金矿问题中的【实现】

先通过几幅动画来理解 「工人」 与 「金矿」 搭配的方式

1.只挖第一座金矿

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