动态规划-斐波那契数列

博客皆个人学习过程中整理,如有问题,欢迎大家指正。
本文链接: https://blog.csdn.net/qq_42017331/article/details/102069527

简介

斐波那契数列(Fibonacci sequence),又称黄金分割数列、因数学家列昂纳多·斐波那契(Leonardoda Fibonacci)以兔子繁殖为例子而引入,故又称为“兔子数列”,指的是这样一个数列:1、1、2、3、5、8、13、21、34、……
数学方式表示如下:
在这里插入图片描述
对于问题的求解代码想必大家早已耳熟能详,但这里只是借助斐波那契数列作为学习动态规划的例子。通过例子了解动态规划的一些特征。

动态规划:

先看下百度给的定义: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。20世纪50年代初美国数学家R.E.Bellman等人在研究多阶段决策过程(multistep decision process)的优化问题时,提出了著名的最优化原理(principle of optimality),把多阶段过程转化为一系列单阶段问题,利用各阶段之间的关系,逐个求解,创立了解决这类过程优化问题的新方法——动态规划。
根据上述描述,可以了解到,动态规划类似分治,同样是将原问题分解成子问题,通过求解子问题而得到原问题的解。但不同的是,动态规划是自底向上分解,并且会保存子问题的解,在需要时可直接拿过来使用,这一点是区别于分治的。通过对子问题解的保存,可以避免大量重复计算,从而提高运行效率。例如上述斐波那契数列,由数学公式得到:当n>1时,第n项是前两项结果的和。如下图所示:
在这里插入图片描述
求F(6)时,需要频繁使用之前的结果,因此在计算较小项时,通过对其保存,可以大大提高计算速度。

斐波那契求和

递归版
int fibo2(int n){
 	if(n == 1 || n == 2) return 1;
 	return fibo2(n-1) + fibo2(n-2);
}

通过分治法,将求解第n项划分为一个个小的子问题,通过对子问题解的合并,得出原问题的解。结果的正确性毋庸置疑。但是如上述分析,分治的过程时不记录子问题的解的,但是斐波那契求和需要频繁的使用子问题的解,因此,分治方法求解过程的性能令人堪忧。

动态规划版
int fibo(int n){
 	if(n < 1) return -1;
 	int F[n+1];
	F[1] = 1;
 	F[2] = 1;
 	for(int i = 3; i <= n; i++){
  		F[i] = F[i-1] + F[i-2];
 	}
 	return F[n];
}

同样是将原问题划分为一个个子问题,通过子问题的求解得到原问题的解。但不同的是子问题求解过程中对解的保存,上述求F(6)时直接寻秩找到F(5)和F(4)的解即可得出,而F(4)和F(5)的解向前递推,从而避免大量的重复计算。可以比较下上述两者的求解速度。
在这里插入图片描述
同样求F(1000),动态规划版可以快速给出求解结果,而递归求解则遥遥无期。因此动态规划的优势不言而喻。

动态规划分析

上述例子分析:

引起上述巨大差异的原因究竟在哪?可以分析下递归求解的过程发现其求解过程入上述树状图所示,各个子问题是互不干涉的,因此造成大量的重复计算。

动规特性
  1. 最优子结构:即原问题的最优解包含了子问题的最优解(贪心算法同样具备)
  2. 子问题重复:这个特性并不是动规的必要条件,但是子问题重复可以体现动规的优势

仍以斐波那契求解为例说明上述两条特性。斐波那契任意一项(n > 1)的结果,都包含前面子问题的解。通过对子问题的保存,从而避免了大量的重复计算,整体上提高了计算速度。

猜你喜欢

转载自blog.csdn.net/qq_42017331/article/details/102069527
今日推荐