• 动态规划:一


    动态规划

    取硬币开始谈起:

    假设您是个土豪,身上带了足够的1,5,10,20,50,100元面值的钞票。现在您的目标是凑出某个金额 w ,需要用到尽量少的钞票。

    显然我们可以用“贪心”的策略来解决这个问题:能用100就尽量用100,否则用50,以此类推。

    贪心策略会尽快让 w 变得更小。能让 w 少100就尽量让它少100,这样我们接下来面对的局面就是凑出 w-100。长期的生活经验表明,贪心策略是正确的。但是,如果我们换一组钞票的面值,贪心策略就也许不成立了。如果一个奇葩国家的钞票面额分别是

    1、5、11,那么我们在凑出15的时候,贪心策略会出错:

    15=1×11+4×1 (贪心策略使用了5张钞票) 15=3×5

                         (正确的策略,只用3张钞票) 
    

    为什么会这样呢?贪心策略错在了哪里?

    鼠目寸光.

    贪心是一种只考虑眼前情况的策略

    动态转移方程

    重新分析刚刚的例子。w=15时,我们如果取11,接下来就面对w=4的情况;如果取5,则接下来面对

    w=10的情况。我们发现这些问题都有相同的形式:“给定w,凑出w所用的最少钞票是多少张?”

    接下来,我们用

    f(n)来表示“凑出n所需的最少钞票数量”。

    那么,如果我们取了11,最后的代价(用掉的钞票总数)是多少呢? 明显cost = f(4)+1 = 4+1 = 5,它的意义是:利用11来凑出15,付出的代价等于f(4)加上自己这一张钞票。现在我们暂时不管f(4)怎么求出来。 依次类推,马上可以知道:如果我们用5来凑出15,cost就是f(10)+1 = 2+1 = 3

    那么,现在w=15的时候,我们该取那种钞票呢?当然是各种方案中,cost值最低的那一个!

    取11:

    取5:

    取1:

    显而易见,cost值最低的是取5的方案。我们通过上面三个式子,做出了正确的决策!
    

    这给了我们一个至关重要的启示——
    相关;

    更确切地说:

    这个式子是非常激动人心的。这个式子也就是所谓的动态规划的状态转移方程,我们要求出f(n),只需要求出几个更小的f值;既然如此,我们从小到大把所有的 f(i) 求出来不就好了?

    我们以 O(n) 的复杂度解决了这个问题。现在回过头来,我们看看它的原理:

    这两个事实,保证了我们做法的正确性。它比起贪心策略,会分别算出取1、5、11的代价,从而做出一个正确决策,这样就避免掉了“鼠目寸光”!
    它与暴力的区别在哪里?我们的暴力枚举了“使用的硬币”,然而这属于冗余信息。我们要的是答案,根本不关心这个答案是怎么凑出来的。譬如,要求出f(15),只需要知道f(14),f(10),f(4)的值。其他信息并不需要。我们舍弃了冗余信息。我们只记录了对解决问题有帮助的信息——f(n).我们能这样干,取决于问题的性质:求出f(n),只需要知道几个更小的f(c)。我们将求解f(c)称作求解f(n)的“子问题"。

    这就是DP(动态规划,dynamic programming)

    将一个问题拆成几个子问题,分别求解这些子问题,即可推断出大问题的解。

    思考题:请稍微修改代码,输出我们凑出w的方案。

    几个简单原则

    【无后效性】

    一旦f(n)确定,“我们如何凑出f(n)”就再也用不着了。要求出f(15),只需要知道f(14),f(10),f(4)的值,而

    f(14),f(10),f(4)是如何算出来的,对之后的问题没有影响。

    “未来与过去无关”,这就是无后效性.
    (严格定义:如果给定某一阶段的状态,则在这一阶段以后过程的发展不受这阶段以前各段状态的影响。)

    【最优子结构】
    回顾我们对f(n)定义:我们记“凑出n所需的最少钞票数量”为f(n).
    f(n)的定义就已经蕴含了“最优”。利用w=14,10,4的最优解,我们即可算出w=15的最优解。
    大问题的最优解可以由小问题的最优解推出,这个性质叫做“最优子结构性质”.

    引入这两个概念之后,我们如何判断一个问题能否使用DP解决呢?能将大问题拆成几个小问题,且满足无后效性、最优子结构性质。

    动态规划的解题思路

    【DP的操作过程】
    一言以蔽之:

    大事化小,小事化了。

    将一个大问题转化成几个小问题; 求解小问题; 推出大问题的解。

    【如何设计DP算法】

    下面介绍比较通用的设计DP算法的步骤。首先,把我们面对的局面表示为x。这一步称为设计状态。 对于状态x,记我们要求出的答案(e.g. 最小费用)为f(x).我们的目标是求出f(T). 找出f(x)与哪些局面有关(记为p),写出一个式子(称为状态转移方程),通过f(p)来推出f(x).

    【DP三连】
    设计DP算法,往往可以遵循DP三连:

    我是谁? ——设计状态,表示局面 我从哪里来? 我要到哪里去? ——设计转移

    设计状态是DP的基础。接下来的设计转移,有两种方式:一种是考虑我从哪里来(本文之前提到的两个例子,都是在考虑"我从哪里来”);另一种是考虑我到哪里去,这常见于求出f(x)之后,更新能从x走到的一些解。这种DP也是不少的,我们以后会遇到。

    例题

    最长上升子序列(LIS)问题

    给定长度为n的序列a,从a中抽取出一个子序列,这个子序列需要单调递增。问最长的上升子序列(

    LIS)的长度。 e.g. 1,5,3,4,6,9,7,8的LIS为1,3,4,6,7,8,长度为6。

    如何设计状态(我是谁)?

    状态x从哪里推过来(我从哪里来)?

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