面试算法--【动态规划】LCS算法:求两字符串最大公共字符串(不连续)

一、动态规划法

经常会遇到复杂问题不能简单地分解成几个子问题,而会分解出一系列的子问题。简单地采用把大问题分解成子问题,并综合子问题的解导出大问题的解的方法,问题求解耗时会按问题规模呈幂级数增加。为了节约重复求相同子问题的时间,引入一个数组,不管它们是否对最终解有用,把所有子问题的解存于该数组中,这就是动态规划法所采用的基本方法。

二、问题:求两字符序列的最长公共字符子序列(LCS)

问题描述:字符序列的子序列是指从给定字符序列中随意地(不一定连续)去掉若干个字符(可能一个也不去掉)后所形成的字符序列。令给定的字符序列X=“x0,x1,…,xm-1”,序列Y=“y0,y1,…,yk-1”是X的子序列,存在X的一个严格递增下标序列<i0,i1,…,ik-1>,使得对所有的j=0,1,…,k-1,有xij=yj。例如,X=“ABCBDAB”,Y=“BCDB”是X的一个子序列。

三、分析

考虑最长公共子序列问题如何分解成子问题,设A=“a0,a1,…,am-1”,B=“b0,b1,…,bm-1”,并Z=“z0,z1,…,zk-1”为它们的最长公共子序列。不难证明有以下性质:

  • (1) 如果am-1=bn-1,则zk-1=am-1=bn-1,且“z0,z1,…,zk-2”是“a0,a1,…,am-2”和“b0,b1,…,bn-2”的一个最长公共子序列;

  • (2) 如果am-1!=bn-1,则若zk-1!=am-1,蕴涵“z0,z1,…,zk-1”是“a0,a1,…,am-2”和“b0,b1,…,bn-1”的一个最长公共子序列;

  • (3) 如果am-1!=bn-1,则若zk-1!=bn-1,蕴涵“z0,z1,…,zk-1”是“a0,a1,…,am-1”和“b0,b1,…,bn-2”的一个最长公共子序列。

这样,在找A和B的公共子序列时,如有am-1=bn-1,则进一步解决一个子问题,找“a0,a1,…,am-2”和“b0,b1,…,bm-2”的一个最长公共子序列;如果am-1!=bn-1,则要解决两个子问题,找出“a0,a1,…,am-2”和“b0,b1,…,bn-1”的一个最长公共子序列和找出“a0,a1,…,am-1”和“b0,b1,…,bn-2”的一个最长公共子序列,再取两者中较长者作为A和B的最长公共子序列。

四、求解

引进一个二维数组c[][],用c[i][j]记录X[i]与Y[j] 的LCS 的长度,b[i][j]记录c[i][j]是通过哪一个子问题的值求得的,以决定搜索的方向。
我们是自底向上进行递推计算,那么在计算c[i,j]之前,c[i-1][j-1],c[i-1][j]与c[i][j-1]均已计算出来。此时我们根据X[i] = Y[j]还是X[i] != Y[j],就可以计算出c[i][j]。

问题的递归式写成:

图片.png
图片.png

example:

public class WDLCS {
    public int findLCS(String A, String B) {
        int n = A.length();
        int m = B.length();
        char[] a = A.toCharArray();
        char[] b = B.toCharArray();
        int[][] dp = new int[n][m];
        for (int i = 0; i < n; i++) {//第一列
            if (a[i] == b[0]) {
                dp[i][0] = 1;
                for (int j = i + 1; j < n; j++) {
                    dp[j][0] = 1;
                }
                break;
            }
        }

        for (int i = 0; i < m; i++) {//第一行
            if (a[0] == b[i]) {
                dp[0][i] = 1;
                for (int j = i + 1; j < m; j++) {
                    dp[0][j] = 1;
                }
                break;
            }
        }
        for (int i = 1; i < n; i++) {
            for (int j = 1; j < m; j++) {
                if (a[i] == b[j]) {
                    dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1] + 1;
                } else {
                    dp[i][j] = Math.max(dp[i - 1][j], dp[i][j - 1]);
                }
            }
        }
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            for (int j = 0; j < m; j++) {
                System.out.print(dp[i][j] + " ");
            }
            System.out.println();
        }
        return dp[n - 1][m - 1];
    }

    public static void main(String[] args) {
        WDLCS lcs = new WDLCS();
        //int findLCS = lcs.findLCS("object", "wdobject");
        int findLCS = lcs.findLCS("object", "wobjedct");
        System.out.println("最长子序列长度:" + findLCS);
    }
}

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