动态规划框架

labuladong 博客学习笔记

Posted by Echo on September 3, 2020

从整体到细节,自顶向下,从抽象到具体的框架思维是通用的,不只是学习数据结构和算法,学习其他任何知识都是高效的。

动态规划问题的特点

求解动态规划的核心问题是穷举,但动态规划问题一般都存在重叠子问题,而一般暴力穷举的效率都是极低的,因此需要 DP table (存储一些中间结果)来聪明地穷举,就可以避免不必要的计算。

另一方面,动态规划问题一定具备最优子结构,来保证通过子问题得到的最优解是原问题的最优解。

此外,最重要的就是列出正确的状态转移方程,这样才能够正确地穷举。

动态规划问题框架

但是如何列出正确的状态转移方程呢?可以参考如下思路:

  • 明确 base case
  • 明确状态
  • 明确选择
  • 定义 dp 函数及含义

由此,可以得到如下框架:

# 初始化 base case
dp[0][0][...] = base
# 进行状态转移
for 状态1 in 状态1的所有取值:
    for 状态2 in 状态2的所有取值:
        for ...
            dp[状态1][状态2][...] = 求最值(选择1, 选择2, ...) # 此处通常用循环迭代求最值

优化求解过程

一般按照状态转移方程写出来的都是递归的代码,

  • 降低时间复杂度:消除冗余计算,用 DP table 存储中间结果,同时可以将递归改成循环迭代
  • 降低空间复杂度:研究 DP table 的依赖关系,若当前值的计算只是依赖邻近的几个值,可以考虑用几个变量替换 DP table

应用例子

斐波那契、找零钱等都是很经典的例子,但是这里还有一个系列性的例子:买卖股票问题。

买卖股票问题一般定义为,有一系列股价,问最多交易 K 次的最大收益(可以不交易)。

该问题的选择有三个:买、卖、无操作,状态有三个:天数、允许交易的最大次数和当天的持有状态,因此需要一个三维数组存储状态 dp[i][k][s]

dp[i][k][0 or 1]
0 <= i <= n-1, 1 <= k <= K
n 为天数,大 K 为最多交易数
此问题共 n × K × 2 种状态,全部穷举就能搞定。

for 0 <= i < n:
    for 1 <= k <= K:
        for s in {0, 1}:
            dp[i][k][s] = max(buy, sell, rest)

举个例子,dp[2][1][0] 代表第 2 天,允许交易的最大次数为 1,此时不持有股票。想清楚了这个,就可以写出状态转移方程:

dp[i][k][0] = max(dp[i-1][k][0], dp[i-1][k][1] + prices[i])
              max(   选择 rest  ,             选择 sell    )

解释:今天我没有持有股票,有两种可能:
要么是我昨天就没有持有,然后今天选择 rest,所以我今天还是没有持有;
要么是我昨天持有股票,但是今天我 sell 了,所以我今天没有持有股票了。

dp[i][k][1] = max(dp[i-1][k][1], dp[i-1][k-1][0] - prices[i])
              max(   选择 rest  ,           选择 buy         )

解释:今天我持有着股票,有两种可能:
要么我昨天就持有着股票,然后今天选择 rest,所以我今天还持有着股票;
要么我昨天本没有持有,但今天我选择 buy,所以今天我就持有股票了。

注意 k 的限制,这里选择 buy 的时候,把 k 减小了 1,当然你也可以在 sell 的时候减 1,只是不要重复就好。

关于 base case 的设定,分别考虑天数为负和 k 为 0 的情况:

dp[-1][k][0] = 0
解释:因为 i 是从 0 开始的,所以 i = -1 意味着还没有开始,这时候的利润当然是 0 。
dp[-1][k][1] = -infinity
解释:还没开始的时候,是不可能持有股票的,用负无穷表示这种不可能。
dp[i][0][0] = 0
解释:因为 k 是从 1 开始的,所以 k = 0 意味着根本不允许交易,这时候利润当然是 0 。
dp[i][0][1] = -infinity
解释:不允许交易的情况下,是不可能持有股票的,用负无穷表示这种不可能。

有了这套框架,应该是可以解决一系列股票买卖问题了,具体参考这里