• 经典算法题每日演练——第四题 最长公共子序列


    一: 作用

           最长公共子序列的问题常用于解决字符串的相似度,是一个非常实用的算法,作为码农,此算法是我们的必备基本功。

    二:概念

         举个例子,cnblogs这个字符串中子序列有多少个呢?很显然有27个,比如其中的cb,cgs等等都是其子序列,我们可以看出

    子序列不见得一定是连续的,连续的那是子串。

         我想大家已经了解了子序列的概念,那现在可以延伸到两个字符串了,那么大家能够看出:cnblogs和belong的公共子序列吗?

    在你找出的公共子序列中,你能找出最长的公共子序列吗?

    从图中我们看到了最长公共子序列为blog,仔细想想我们可以发现其实最长公共子序列的个数不是唯一的,可能会有两个以上,

    但是长度一定是唯一的,比如这里的最长公共子序列的长度为4。

    三:解决方案

    <1> 枚举法

           这种方法是最简单,也是最容易想到的,当然时间复杂度也是龟速的,我们可以分析一下,刚才也说过了cnblogs的子序列

    个数有27个 ,延伸一下:一个长度为N的字符串,其子序列有2N个,每个子序列要在第二个长度为N的字符串中去匹配,匹配一次

    需要O(N)的时间,总共也就是O(N*2N),可以看出,时间复杂度为指数级,恐怖的令人窒息。

    <2> 动态规划

          既然是经典的题目肯定是有优化空间的,并且解题方式是有固定流程的,这里我们采用的是矩阵实现,也就是二维数组。

    第一步:先计算最长公共子序列的长度。

    第二步:根据长度,然后通过回溯求出最长公共子序列。

    现有两个序列X={x1,x2,x3,...xi},Y={y1,y2,y3,....,yi},

    设一个C[i,j]: 保存Xi与Yj的LCS的长度。

    递推方程为:

    不知道大家看懂了没?动态规划的一个重要性质特点就是解决“子问题重叠”的场景,可以有效的避免重复计算,根据上面的

    公式其实可以发现C[i,j]一直保存着当前(Xi,Yi)的最大子序列长度。

     1 using System;
     2 namespace ConsoleApplication2
     3 {
     4     public class Program
     5     {
     6         static int[,] martix;
     7 
     8         static string str1 = "cnblogs";
     9         static string str2 = "belong";
    10 
    11         static void Main(string[] args)
    12         {
    13             martix = new int[str1.Length + 1, str2.Length + 1];
    14 
    15             LCS(str1, str2);
    16 
    17             //只要拿出矩阵最后一个位置的数字即可
    18             Console.WriteLine("当前最大公共子序列的长度为:{0}", martix[str1.Length, str2.Length]);
    19 
    20             Console.Read();
    21         }
    22 
    23         static void LCS(string str1, string str2)
    24         {
    25             //初始化边界,过滤掉0的情况
    26             for (int i = 0; i <= str1.Length; i++)
    27                 martix[i, 0] = 0;
    28 
    29             for (int j = 0; j <= str2.Length; j++)
    30                 martix[0, j] = 0;
    31 
    32             //填充矩阵
    33             for (int i = 1; i <= str1.Length; i++)
    34             {
    35                 for (int j = 1; j <= str2.Length; j++)
    36                 {
    37                     //相等的情况
    38                     if (str1[i - 1] == str2[j - 1])
    39                     {
    40                         martix[i, j] = martix[i - 1, j - 1] + 1;
    41                     }
    42                     else
    43                     {
    44                         //比较“左边”和“上边“,根据其max来填充
    45                         if (martix[i - 1, j] >= martix[i, j - 1])
    46                             martix[i, j] = martix[i - 1, j];
    47                         else
    48                             martix[i, j] = martix[i, j - 1];
    49                     }
    50                 }
    51             }
    52         }
    53     }
    54 }

    图大家可以自己画一画,代码完全是根据上面的公式照搬过来的,长度的问题我们已经解决了,这次要解决输出最长子序列的问题,

    我们采用一个标记函数Flag[i,j],当

    ①:C[i,j]=C[i-1,j-1]+1  时 标记Flag[i,j]="left_up";    (左上方箭头)

    ②:C[i-1,j]>=C[i,j-1]   时 标记Flag[i,j]="left";          (左箭头)

    ③: C[i-1,j]<C[i,j-1]     时 标记Flag[i,j]="up";            (上箭头)

    例如:我输入两个序列X=acgbfhk,Y=cegefkh。

     1 using System;
     2 
     3 namespace ConsoleApplication2
     4 {
     5     public class Program
     6     {
     7         static int[,] martix;
     8 
     9         static string[,] flag;
    10 
    11         static string str1 = "acgbfhk";
    12 
    13         static string str2 = "cegefkh";
    14 
    15         static void Main(string[] args)
    16         {
    17             martix = new int[str1.Length + 1, str2.Length + 1];
    18 
    19             flag = new string[str1.Length + 1, str2.Length + 1];
    20 
    21             LCS(str1, str2);
    22 
    23             //打印子序列
    24             SubSequence(str1.Length, str2.Length);
    25 
    26             Console.Read();
    27         }
    28 
    29         static void LCS(string str1, string str2)
    30         {
    31             //初始化边界,过滤掉0的情况
    32             for (int i = 0; i <= str1.Length; i++)
    33                 martix[i, 0] = 0;
    34 
    35             for (int j = 0; j <= str2.Length; j++)
    36                 martix[0, j] = 0;
    37 
    38             //填充矩阵
    39             for (int i = 1; i <= str1.Length; i++)
    40             {
    41                 for (int j = 1; j <= str2.Length; j++)
    42                 {
    43                     //相等的情况
    44                     if (str1[i - 1] == str2[j - 1])
    45                     {
    46                         martix[i, j] = martix[i - 1, j - 1] + 1;
    47                         flag[i, j] = "left_up";
    48                     }
    49                     else
    50                     {
    51                         //比较“左边”和“上边“,根据其max来填充
    52                         if (martix[i - 1, j] >= martix[i, j - 1])
    53                         {
    54                             martix[i, j] = martix[i - 1, j];
    55                             flag[i, j] = "left";
    56                         }
    57                         else
    58                         {
    59                             martix[i, j] = martix[i, j - 1];
    60                             flag[i, j] = "up";
    61                         }
    62                     }
    63                 }
    64             }
    65         }
    66 
    67         static void SubSequence(int i, int j)
    68         {
    69             if (i == 0 || j == 0)
    70                 return;
    71 
    72             if (flag[i, j] == "left_up")
    73             {
    74                 Console.WriteLine("{0}: 当前坐标:({1},{2})", str2[j - 1], i - 1, j - 1);
    75 
    76                 //左前方
    77                 SubSequence(i - 1, j - 1);
    78             }
    79             else
    80             {
    81                 if (flag[i, j] == "up")
    82                 {
    83                     SubSequence(i, j - 1);
    84                 }
    85                 else
    86                 {
    87                     SubSequence(i - 1, j);
    88                 }
    89             }
    90         }
    91     }
    92 }

    由于直接绘图很麻烦,嘿嘿,我就用手机拍了张:

    好,我们再输入两个字符串:

    1         static string str1 = "abcbdab";
    2 
    3         static string str2 = "bdcaba";

    通过上面的两张图,我们来分析下它的时间复杂度和空间复杂度。

    时间复杂度:构建矩阵我们花费了O(MN)的时间,回溯时我们花费了O(M+N)的时间,两者相加最终我们花费了O(MN)的时间。

    空间复杂度:构建矩阵我们花费了O(MN)的空间,标记函数也花费了O(MN)的空间,两者相加最终我们花费了O(MN)的空间。

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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/huangxincheng/p/2764625.html
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