求解两个字符串的最长公共子序列

一,问题描述

给定两个字符串,求解这两个字符串的最长公共子序列(最长公共序列)比如字符串1:BDCABA;字符串2:ABCBDAB

则这两个字符串的最长公共子序列长度为4,最长公共子序列是:BCBA

二,算法求解

这是一个动态规划的题目对于可用动态规划求解的问题,一般有两个特征:①最优子结构;②重叠子问题

①最优子结构

设X =(x1,x2,..... xn)和Y = {y1,y2,..... ym}是两个序列,将X和Y的最长公共子序列记为LCS(X ,Y)

找出LCS(X,Y)就是一个最优化问题。因为,我们需要找到X和ý中最长的那个公共子序列。而要找X和ÿ的LCS,首先考虑X的最后一个元素和ÿ的最后一个元素。

1)如果xn = ym,即X的最后一个元素与Y的最后一个元素相同,这说明该元素一定位于公共子序列中。因此,现在只需要找:LCS(Xn-1,Ym-1)

LCS(XN-1,YM-1)就是原问题的一个子问题。为什么叫子问题?因为它的规模比原问题小。(小一个元素也是小嘛....)

为什么是最优的子问题?因为我们要找的是XN-1和YM-1的最长公共子序列啊......最长的!换句话说,就是最优的那个。(这里的最优就是最长的意思)

2)如果xn!= ym,这下要麻烦一点,因为它产生了两个子问题:LCS(Xn-1,Ym)和LCS(Xn,Ym-1)

因为序列X和序列ý的最后一个元素不相等嘛,说明那一个求最后元素不可能的英文最长公共子序列中的元素嘛。(都不相等了,怎么公共嘛)。

LCS(Xn-1,Ym)表示:最长公共序列可以在(x1,x2,...... x(n-1))和(y1,y2,... yn)中找。

LCS(Xn,Ym-1)表示:最长公共序列可以在(x1,x2,... xn)和(y1,y2,... y(n-1))中找。

求解上面两个子问题,得到的公共子序列谁最长,那谁就是LCS(X,Y)用数学表示就是:

LCS = MAX {LCS(XN-1,YM),LCS(XN,YM-1)}

由于条件1)和2)考虑到了所有可能的情况。因此,我们成功地把原问题转化成了三个规模更小的子问题

②重叠子问题

重叠子问题是啥?就是说原问题转化成子问题后,子问题中有相同​​的问题。咦?我怎么没有发现上面的三个子问题中有相同​​的啊????

好的,来看看,原问题是:LCS(X,Y)子问题有❶LCS(XN-1,YM-1)❷LCS(XN-1,YM)❸LCS(XN,YM-1)

初一看,这三个子问题是不重叠的可本质上它们是重叠的,因为它们只重叠了一大部分举例:

第二个子问题:LCS(XN-1,YM)就包含了:问题❶LCS(XN-1,YM-1),为什么?

因为,当XN-1和YM的最后一个元素不相同时,我们又需要将LCS(XN-1,YM)进行分解:分解成:LCS(XN-1,YM-1)和LCS(XN-2 ),YM)

也就是说:子在问题的继续分解中,有些问题是重叠的。

由于像LCS这样的问题,它具有重叠子问题的性质,因此:用递归来求解就太不划算了因为采用递归,它重复地求解了子问题啊而且注意哦,所有子问题加起来的个数可是指数级的哦....

文章这篇中就_ECSHOP演示了一个递归求解重叠子问题的示例

那么问题来了,你说用递归求解,有指数级个子问题,故时间复杂度是指数级。这指数级个子问题,难道用了动态规划,就变成多项式时间了?

呵呵哒....

关键是采用动态规划时,并不需要去一一计算那些重叠了的子问题或者说:用了动态规划之后,有些子问题是通过“查表”直接得到的,而不是重新又计算一遍得到的废话少说:举个例子吧比如求蛋白原的数列关于纤维蛋白原的数列可参考:

求FIB(5),分解成了两个子问题:FIB(4)和FIB(3),求解FIB(4)和FIB(3)时,又分解了一系列的小问题....

从图中可以看出:根的左右子树:FIB(4)和FIB(3)下,是有很多重叠的!!!比如,对于FIB(2),它就一共出现了三次如果用递归来求解,FIB(2)就会被计算三次,而用DP(动态规划)动态规划,则FIB(2)只会计算一次,其他两次则是通过“查表”直接求得。而且,更关键是是:查找求得该问题的解之后,就不需要再继续去分解该问题了而对于递归,是不断地将问题分解,直到分解为基准问题(FIB(1)或者FIB(0))

说了这么多,还是要写下最长公共子序列的递归式才完整。借用网友的一张图吧:)

c [i,j]表示:(x1,x2 .... xi)和(y1,y2 ... yj)的最长公共子序列的长度。(是长度哦,就是一个整数嘛)。公式的具体解释可参考“算法导论”动态规划章节

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