动态规划之最长公共子序列

原文在这里 http://blog.csdn.net/dq_dm/article/details/45043689

1、LCS的基本概念

子序列:一个序列X任意删除若干个字符得到新序列Z,则Z叫做X的子序列。例如Z=是X=的子序列,相当于删除A、B、A。

公共子序列:给定两个序列X和Y,如果Z既是X的子序列,也是Y的子序列,我们称它为X和Y的公共子序列。公共子序列可能不唯一。例如是X=和Y=的一个公共子序列。

最长公共子序列:Longest Common Subsequence,简称LCS。如果Z是X和Y的公共子序列,且是最长的那个,则称Z是X和Y的最长公共子序列。例如是X=和Y=的一个最长公共子序列,也是。它也可能不唯一。

:(1)为了简便,上面我们讨论的都是两个序列的公共子序列,当然,也可以是3个、4个等等。(2)它和最长公共子串是有区别的,最长公共子串要求连续。

2、LCS的意义和应用

求两个序列中最长的公共子序列算法,广泛的应用在图形相似处理、媒体流的相似比较、计算生物学方面。生物学家常常利用该算法进行基因序列比对,由此推测序列的结构、功能和演化过程。

LCS可以描述两段文字之间的“相似度”,即它们的雷同程度,从而能够用来辨别抄袭。另一方面,对一段文字进行修改之后,计算改动前后文字的最长公共子序列,将除此子序列外的部分提取出来,这种方法判断修改的部分,往往十分准确。简而言之,百度知道、百度百科都用得上。

3、暴力求解:穷举法

1)假定序列X,Y的长度分别为m,n;

2)X的一个子序列即下标序列{1, 2, …, m}的严格递增子序列,因此,X共有2m个不同子序列;同理,Y有2n个不同子序列,从而穷举搜索法需要指数时间O(2m .2n);

3)对X的每一个子序列,检查它是否也是Y的子序列,从而确定它是否为X和Y的公共子序列,并且在检查过程中选出最长的公共子序列;

显然,不可取。

4、LCS的最优子结构

在这里先说些前缀的概念,给定一个序列X=,对i=0,1,…,m,定义X的第i前缀为Xi=。例如,若X=,则X4=,X0为空串。

令X=和Y=为两个序列,Z=为X和Y的任意LCS。

1)如果xm=yn,则zk=xm=yn且Zk-1是Xm-1和Yn-1的一个LCS。也就是

例如:

2)如果xm≠yn,那么zk≠xm意味着Z是xm-1和Y的一个LCS。

也就是,LCS(Xm,Yn)=LCS(Xm-1,Yn)。

3)如果xm≠yn,那么zk≠yn意味着Z是X和Yn-1的一个LCS。也就是,LCS(Xm,Yn)=LCS(Xm,Yn-1)。

例如:

5、LCS的分析总结

显然,是动态规划问题。

6、伪代码

引进一个二维数组c[0..m,0..n],用c[i,j]记录序列Xi与Yj的LCS的长度。

引进一个二维数组b[1..m,1..n],b[i,j]标记c[i,j]是由哪一个子问题的解求得的,以决定搜索的方向。即c[i,j]是由c[i-1,j-1]+1或者c[i-1,j]或者c[i,j-1]的哪一个得到的。取值范围为LeftTop、Top、Left三种情况。

举例

X=< A,B,C,B,D,A,B >,Y=< B,D,C,A,B,A >

1)第一行、第一列都为0;

2)按行主次序计算表项。

3)第i行和第j列的方格包含了c[i,j]的值和b[i-1,j]记录的箭头;

4)右下角的项c[7,6]中的4即为X和Y的一个LCS的长度;

5)为了构造LCS的元素,从右下角开始沿着b[i,j]的箭头前进即可,如图中阴影方格序列。阴影序列中每个“  ”对应的表项表示xi=yj是LCS的一个元素。此时得到的是BCBA,逆序输出,即LCS是。

6.1 计算LCS的长度

过程的运行时间为O(mn),因为每个表项的计算时间为O(1)。

6.2 构造LCS

开始的i、j分别是X和Y的长度。

过程的运行时间为O(m+n),因为每次递归调用i和j至少有一个会减少1。


java代码实现

public class algorithm {

public static void main(String[] args) {

char[] X = "BDCABA".toCharArray();

char[] Y = "ABCBDAB".toCharArray();

lcs(X, Y);

}

public static void lcs(char[] X,char[] Y){//求最长公共子序列长度

int m = X.length,n = Y.length;

int[][] c = new int[m + 1][n + 1];

int[][] b = new int[m + 1][n + 1];

for (int i = 0;i <= m;i++)

c[i][0] = 0;

for (int j = 0;j <= n;j++)

c[0][j] = 0;

for (int i = 1;i <= m;i++){

for (int j = 1;j <= n;j++){

if (X[i - 1] == Y[j - 1]){

c[i][j] = c[i - 1][j - 1] + 1;

b[i][j] = 7;

}else if (c[i - 1][j] >= c[i][j -1]){

c[i][j] = c[i - 1][j];

b[i][j] = 8;

}else{

c[i][j] = c[i][j - 1];

b[i][j] = 4;

}

}

}

System.out.println("最长公共子序列的长度为:" + c[m][n]);

System.out.println("其中的一个最长公共子序列为:");

lcs_list(b, X, m, n);

}

public static void lcs_list(int[][] b,char[] X,int m,int n){//求最长公共子序列

int i = m,j = n;

if (i == 0 || j == 0)

return ;

if (b[i][j] == 7){

lcs_list(b, X, i - 1, j - 1);

System.out.print(X[i - 1]);

}else if (b[i][j] == 8){

lcs_list(b, X, i - 1, j);

}else{

lcs_list(b, X, i, j - 1);

}

}

}

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