数据结构与算法之最长公共子序列&&动态规划

简介: 数据结构与算法之最长公共子序列&&动态规划

一.题目及其示例


给定两个字符串 text1 和 text2,返回这两个字符串的最长公共子序列的长度。


说明:一个字符串的 子序列 是指这样一个新的字符串:它是由原字符串在不改变字符的相对顺序的情况下删除某些字符(也可以不删除任何字符)后组成的新字符串。


例如:"ace" 是 "abcde" 的子序列,但 "aec" 不是 "abcde" 的子序列。


两个字符串的公共子序列是这两个字符串所共同拥有的子序列。


若这两个字符串没有公共子序列,则返回 0。


示例 1:输入:text1 = "abcde", text2 = "ace"


输出:3


解释:最长公共子序列是 "ace",它的长度为 3;


示例 2: 输入:text1 = "abc", text2 = "abc"


输出:3


解释:最长公共子序列是 "abc",它的长度为 3;


示例 3: 输入:text1 = "abc", text2 = "def" ;


输出:0


解释:两个字符串没有公共子序列,返回 0;

提示:

  • 1 <= text1.length <= 1000
  • 1 <= text2.length <= 1000 输入的字符串只含有小写英文字符。

二.动态规划的基本思想


动态规划算法的基本思想是:将待求解的问题分解成若干个相互联系的子问题,先求解子问题,然后从这些子问题的解得到原问题的解;对于重复出现的子问题,只在第一次遇到的时候对它进行求解,并把答案保存起来,让以后再次遇到时直接引用答案,不必重新求解。动态规划算法将问题的解决方案视为一系列决策的结果。


三.思路

动态规划五部曲

1.确定dp数组(dp table)以及下标的含义


dp[i][j]:长度为[0, i - 1]的字符串text1与长度为[0, j - 1]的字符串text2的最长公共子序列为dp[i][j]


有同学会问:为什么要定义长度为[0, i - 1]的字符串text1,定义为长度为[0, i]的字符串text1不香么?


这样定义是为了后面代码实现方便。


2.确定递推公式


主要就是两大情况: text1[i - 1] 与 text2[j - 1]相同,text1[i - 1] 与 text2[j - 1]不相同;


如果text1[i - 1] 与 text2[j - 1]相同,那么找到了一个公共元素,所以dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1] + 1;


如果text1[i - 1] 与 text2[j - 1]不相同,那就看看text1[0, i - 2]与text2[0, j - 1]的最长公共子序列 和 text1[0, i - 1]与text2[0, j - 2]的最长公共子序列,取最大的。


即:dp[i][j] = max(dp[i - 1][j], dp[i][j - 1]);


代码如下:

if(text1[i -1]== text2[j -1])
{
    dp[i][j]= dp[i -1][j -1]+1;
}
else
  {
    dp[i][j]=max(dp[i -1][j], dp[i][j -1]);
  }


3.dp数组如何初始化


先看看dp[i][0]应该是多少呢?

test1[0, i-1]和空串的最长公共子序列自然是0,所以dp[i][0] = 0;

同理dp[0][j]也是0。

其他下标都是随着递推公式逐步覆盖,初始为多少都可以,那么就统一初始为0。

代码:

vector<vector<int>> dp(text1.size() + 1, vector<int>(text2.size() + 1, 0));


4.确定遍历顺序


从递推公式,可以看出,有三个方向可以推出dp[i][j],如图:


db17a4639cb6da3ad55cd1fd95b90c19.png


那么为了在递推的过程中,这三个方向都是经过计算的数值,所以要从前向后,从上到下来遍历这个矩阵。

5.举例推导dp数组

以输入:text1 = "abcde", text2 = "ace" 为例,dp状态如图:


91c8e24c2dd48a6581a471433fe5453c.png


最后红框dp[text1.size()][text2.size()]为最终结果

以上分析完毕,C++代码如下:

class Solution {
public:
    int longestCommonSubsequence(string text1, string text2) {
        vector<vector<int>> dp(text1.size() + 1, vector<int>(text2.size() + 1, 0));
        for (int i = 1; i <= text1.size(); i++) {
            for (int j = 1; j <= text2.size(); j++) {
                if (text1[i - 1] == text2[j - 1]) {
                    dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1] + 1;
                } else {
                    dp[i][j] = max(dp[i - 1][j], dp[i][j - 1]);
                }
            }
        }
        return dp[text1.size()][text2.size()];
    }
};

java

/*
    二维dp数组
*/
class Solution {
    public int longestCommonSubsequence(String text1, String text2) {
        int[][] dp = new int[text1.length() + 1][text2.length() + 1]; // 先对dp数组做初始化操作
        for (int i = 1 ; i <= text1.length() ; i++) {
            char char1 = text1.charAt(i - 1);
            for (int j = 1; j <= text2.length(); j++) {
                char char2 = text2.charAt(j - 1);
                if (char1 == char2) { // 开始列出状态转移方程
                    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[text1.length()][text2.length()];
    }
}
/**
    一维dp数组
*/
class Solution {
    public int longestCommonSubsequence(String text1, String text2) {
        int n1 = text1.length();
        int n2 = text2.length();
        // 多从二维dp数组过程分析  
        // 关键在于  如果记录  dp[i - 1][j - 1]
        // 因为 dp[i - 1][j - 1]  <!=>  dp[j - 1]  <=>  dp[i][j - 1]
        int [] dp = new int[n2 + 1];
        for(int i = 1; i <= n1; i++){
            // 这里pre相当于 dp[i - 1][j - 1]
            int pre = dp[0];
            for(int j = 1; j <= n2; j++){
                //用于给pre赋值
                int cur = dp[j];
                if(text1.charAt(i - 1) == text2.charAt(j - 1)){
                    //这里pre相当于dp[i - 1][j - 1]   千万不能用dp[j - 1] !!
                    dp[j] = pre + 1;
                } else{
                    // dp[j]     相当于   dp[i - 1][j]
                    // dp[j - 1] 相当于   dp[i][j - 1]
                    dp[j] = Math.max(dp[j], dp[j - 1]);
                }
                //更新dp[i - 1][j - 1], 为下次使用做准备
                pre = cur;
            }
        }
        return dp[n2];
    }
}


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