【LeetCode刷题】新手一看就会的——动态规划详解—入门_运筹学动态规划解题思路

目录

前言

什么是动态规划

动态规划基本思想

动态规划实例讲解

青蛙跳阶问题

带备忘录的递归解法（自顶向下）

自底向上的动态规划 

动态规划的解题套路

动态规划的解题思路

1. 穷举分析

2. 确定边界

3. 找规律，确定最优子结构

4， 写出状态转移方程

5. 代码实现

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前言

我们刷leetcode的时候，经常会遇到动态规划类型题目。动态规划问题非常非常经典，也很有技巧性，一般大厂都非常喜欢问。动态规划算法我在刚接触算法设计时很苦恼的问题，对于相关类型题目，完全无从下手。之后就在网上看原理和讲解，在看了很多讲解和教程中，花了很多走了很多弯路之后，现在，总结一下比较重要以及以比较好理解的方式，一步一步讲解动态规划是怎样使用的，只有知道怎样使用，才能更好地理解，而不是一味地对概念和原理进行反复琢磨。文章如果有不正确的地方，欢迎大家指出哈，感谢感谢~

什么是动态规划

动态规划（dynamic programming）是运筹学的一个分支，是求解决策过程（decision process）最优化的数学方法。简单来说就是，通过把复杂的原问题分解为相对简单的子问题的方式去求解。动态规划常常适用于有重叠子问题和最优子结构性质的问题。

一般这些子问题很相似，可以通过函数关系式递推出来。然后呢，动态规划就致力于解决每个子问题一次，减少重复计算,比如斐波那契数列就可以看做入门级的经典动态规划问题。

动态规划基本思想

基本思想是将待求解问题分解成若干个子问题，先求解子问题，然后从这些子问题的解得到原问题的解。经分解得到子问题往往不是互相独立的。另外，求解子问题时，有些子问题被重复计算了很多次。而动态规划能够保存已解决的子问题的答案，而在需要时再找出已求得的答案，这样就可以避免大量的重复计算，节省时间。我们可以用一个表来记录所有已解的子问题的答案。不管该子问题以后是否被用到，只要它被计算过，就将其结果填入表中。这就是动态规划法的基本思路。具体的动态规划算法多种多样，但它们具有相同的填表格式。

总结上面：动态规划最核心的思想，分解原问题为子问题、记住过往、减少重复计算。

方便理解，我们联系一下网上比较流行的一个例子

• A ： "1+1+1+1+1+1+1+1 =？"
• A ： "上面等式的值是多少"
• B ： 计算 "8"
• A : 在上面等式的左边写上 "1+" 呢？
• A : "此时等式的值为多少"
• B : 很快得出答案 "9"
• A : "你怎么这么快就知道答案了"
• A : "只要在8的基础上加1就行了"
• A : "所以你不用重新计算，因为你记住了第一个等式的值为8!动态规划算法也可以说是 '记住求过的解来节省时间'"

动态规划实例讲解

青蛙跳阶问题

问题描述：一只青蛙一次可以跳上1级台阶，也可以跳上2级台阶。求该青蛙跳上一个 10 级的台阶总共有多少种跳法。

对于没有动态规模刷题经验的小伙伴来说，看到这题可能有点不知从哪里下手，其实我们可以这样发散一下思路：

• 要想跳到第10级台阶，要么是先跳到第9级，然后再跳1级台阶上去;要么是先跳到第8级，然后一次迈2级台阶上去。
• 同理，要想跳到第9级台阶，要么是先跳到第8级，然后再跳1级台阶上去;要么是先跳到第7级，然后一次迈2级台阶上去。
• 要想跳到第8级台阶，要么是先跳到第7级，然后再跳1级台阶上去;要么是先跳到第6级，然后一次迈2级台阶上去。

假设跳到第n级台阶的跳数我们定义为f(n)，很显然就可以得出以下公式：

f（10） = f（9）+f(8)
f (9)  = f(8) + f(7)
f (8)  = f(7) + f(6)
...
f(3) = f(2) + f(1)

即通用公式为: f(n) = f(n-1) + f(n-2

那f(2) 或者 f(1) 等于多少呢？

• 当只有2级台阶时，有两种跳法，第一种是直接跳两级，第二种是先跳一级，然后再跳一级。即f(2) = 2;
• 当只有1级台阶时，只有一种跳法，即f（1）= 1；

因此可以用递归去解决这个问题：

class Solution {
    public int numWays(int n) {
    if(n == 1){
        return 1;
    }
     if(n == 2){
        return 2;
    }
    return numWays(n-1) + numWays(n-2);
    }
}

去leetcode提交一下，发现有问题，超出时间限制了

• 要计算原问题 f(10)，就需要先计算出子问题 f(9) 和 f(8)
• 然后要计算 f(9)，又要先算出子问题 f(8) 和 f(7)，以此类推。
• 一直到 f(2) 和 f(1），递归树才终止。

我们先来看看这个递归的时间复杂度吧：

递归时间复杂度 = 解决一个子问题时间*子问题个数

• 一个子问题时间 = f（n-1）+ f（n-2），也就是一个加法的操作，所以复杂度是 O(1)；
• 问题个数 = 递归树节点的总数，递归树的总节点 = 2^n-1，所以是复杂度O(2^n)。

因此，青蛙跳阶，递归解法的时间复杂度 = O(1) * O(2^n) = O(2^n)，就是指数级别的，爆炸增长的，如果n比较大的话，超时很正常的了。

回过头来，你仔细观察这颗递归树，你会发现存在大量重复计算，比如 f (8）被计算了两次,f (7）被重复计算了3次...所以这个递归算法低效的原因，就是存在大量的重复计算！

既然存在大量重复计算，那么我们可以先把计算好的答案存下来，即造一个备忘录，等到下次需要的话，先去备忘录查一下，如果有，就直接取就好了，备忘录没有才开始计算，那就可以省去重新重复计算的耗时啦！这就是带备忘录的解法。

带备忘录的递归解法（自顶向下）

一般使用一个数组或者一个哈希map充当这个备忘录。

• 第一步，f（10）= f(9) + f(8)，f(9) 和f（8）都需要计算出来，然后再加到备忘录中，如下:

 

• 第二步， f(9) = f（8）+ f（7），f（8）= f（7）+ f(6), 因为 f(8) 已经在备忘录中啦，所以可以省掉，f(7),f（6）都需要计算出来，加到备忘录中

• 第三步， f(8) = f（7）+ f(6),发现f(8)，f(7),f（6）全部都在备忘录上了，所以都可以剪掉。

 带备忘录的递归算法，子问题个数=树节点数=n，解决一个子问题还是O(1),所以带备忘录的递归算法的时间复杂度是O(n)。接下来呢，我们用带备忘录的递归算法去撸代码，解决这个青蛙跳阶问题的超时问题咯~，代码如下：

public class Solution {
    //使用哈希map，充当备忘录的作用
    Map<Integer, Integer> tempMap = new HashMap();
    public int numWays(int n) {
        // n = 0 也算1种
        if (n == 0) {
            return 1;
        }
        if (n <= 2) {
            return n;
        }
        //先判断有没计算过，即看看备忘录有没有
        if (tempMap.containsKey(n)) {
            //备忘录有，即计算过，直接返回
            return tempMap.get(n);
        } else {
            // 备忘录没有，即没有计算过，执行递归计算,并且把结果保存到备忘录map中，对1000000007取余（这个是leetcode题目规定的）
            tempMap.put(n, (numWays(n - 1) + numWays(n - 2)) % 1000000007);
            return tempMap.get(n);
        }
    }
}

自底向上的动态规划 

动态规划跟带备忘录的递归解法基本思想是一致的，都是减少重复计算，时间复杂度也都是差不多。但是呢：

• 带备忘录的递归，是从f(10)往f(1）方向延伸求解的，所以也称为自顶向下的解法。
• 动态规划从较小问题的解，由交叠性质，逐步决策出较大问题的解，它是从f(1)往f(10）方向，往上推求解，所以称为自底向上的解法。

动态规划有几个典型特征，最优子结构、状态转移方程、边界、重叠子问题。在青蛙跳阶问题中：

• f(n-1)和f(n-2) 称为 f(n) 的最优子结构
• f(n)= f（n-1）+f（n-2）就称为状态转移方程
• f(1) = 1, f(2) = 2 就是边界啦
• 比如f(10)= f(9)+f(8),f(9) = f(8) + f(7) ,f(8)就是重叠子问题。

我们来看下自底向上的解法，从f(1)往f(10）方向，想想是不是直接一个for循环就可以解决啦，如下：

自底向上

带备忘录的递归解法，空间复杂度是O(n)，但是呢，仔细观察上图，可以发现，f（n）只依赖前面两个数，所以只需要两个变量a和b来存储，就可以满足需求了，因此空间复杂度是O(1)

自底向上

动态规划实现代码如下：

public class Solution {
    public int numWays(int n) {
        if (n<= 1) {
            return 1;
        }
        if (n == 2) {
            return 2;
        }
        int a = 1;
        int b = 2;
        int temp = 0;
        for (int i = 3; i <= n; i++) {
            temp = (a + b)% 1000000007;
            a = b;
            b = temp;
        }
        return temp;
    }
    }

动态规划的解题套路

什么样的问题可以考虑使用动态规划解决呢？

如果一个问题，可以把所有可能的答案穷举出来，并且穷举出来后，发现存在重叠子问题，就可以考虑使用动态规划。

比如一些求最值的场景，如最长递增子序列、最小编辑距离、背包问题、凑零钱问题等等，都是动态规划的经典应用场景。

动态规划的解题思路

动态规划的核心思想就是拆分子问题，记住过往，减少重复计算。 并且动态规划一般都是自底向上的，因此到这里，基于青蛙跳阶问题，我总结了一下我做动态规划的思路：

• 穷举分析
• 确定边界
• 找出规律，确定最优子结构
• 写出状态转移方程

1. 穷举分析

• 当台阶数是1的时候，有一种跳法，f（1） =1
• 当只有2级台阶时，有两种跳法，第一种是直接跳两级，第二种是先跳一级，然后再跳一级。即f(2) = 2;
• 当台阶是3级时，想跳到第3级台阶，要么是先跳到第2级，然后再跳1级台阶上去，要么是先跳到第 1级，然后一次迈 2 级台阶上去。所以f(3) = f(2) + f(1) =3
• 当台阶是4级时，想跳到第3级台阶，要么是先跳到第3级，然后再跳1级台阶上去，要么是先跳到第 2级，然后一次迈 2 级台阶上去。所以f(4) = f(3) + f(2) =5
• 当台阶是5级时......

2. 确定边界

通过穷举分析，我们发现，当台阶数是1的时候或者2的时候，可以明确知道青蛙跳法。f（1） =1，f(2) = 2，当台阶n>=3时，已经呈现出规律f(3) = f(2) + f(1) =3，因此f（1） =1，f(2) = 2就是青蛙跳阶的边界。

3. 找规律，确定最优子结构

n>=3时，已经呈现出规律 f(n) = f(n-1) + f(n-2) ，因此，f(n-1)和f(n-2) 称为 f(n) 的最优子结构。什么是最优子结构？有这么一个解释：

一道动态规划问题，其实就是一个递推问题。假设当前决策结果是f(n),则最优子结构就是要让 f(n-k) 最优,最优子结构性质就是能让转移到n的状态是最优的,并且与后面的决策没有关系,即让后面的决策安心地使用前面的局部最优解的一种性质

4， 写出状态转移方程

通过前面3步，穷举分析，确定边界，最优子结构，我们就可以得出状态转移方程

5. 代码实现

我们实现代码的时候，一般注意从底往上遍历哈，然后关注下边界情况，空间复杂度，也就差不多啦。动态规划有个框架的，大家实现的时候，可以考虑适当参考一下：

dp[0][0][...] = 边界值
for(状态1 ：所有状态1的值){
    for(状态2 ：所有状态2的值){
        for(...){
          //状态转移方程
          dp[状态1][状态2][...] = 求最值
        }
    }
}

最后，以上对动态规划的基本原理和案例进行分析，希望对正在学习动态规划的小伙伴们有帮助！如需要学习其他数据结构和算法请参考我的其他文章哦----》》》点击这里！！！

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参考：看一遍就理解：动态规划详解