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动态规划


动态规划方法与分治法类似,分而治之法将问题分解成更小的子问题。但与分而治之法不同的是,这些子问题并非独立解决。相反,这些较小子问题的结果会被记住,并用于解决类似或重叠的子问题。

动态规划算法主要用于解决优化问题。在解决当前子问题之前,动态算法会尝试检查先前已解决子问题的结果。子问题的解会被组合起来,以达到最优的最终解。因此,这种范式被称为自下而上的方法。

因此,我们可以得出结论:−

  • 该问题应该能够分解为更小且相互重叠的子问题。

  • 最终的最优解可以通过对更小子问题进行最优解来实现。

  • 动态算法使用记忆。

Dynamic_Programming_Approach

然而,在一个问题中,两个主要属性可以表明给定的问题可以使用动态规划来解决。它们是 −

重叠子问题

与分治法类似,动态规划也将子问题的解合并。它主要用于需要重复求解某个子问题的情况。计算出的解存储在表中,这样就无需重新计算。因此,当存在重叠子问题时,需要使用这种技术。

例如,二分查找不存在重叠子问题。而斐波那契数列的递归程序则有许多重叠的子问题。

最优子结构

如果给定问题的最优解可以通过其子问题的最优解获得,则该问题具有最优子结构性质。

例如,最短路径问题具有以下最优子结构性质∠

如果节点 x 位于从源节点 u 到目标节点 v 的最短路径上,则从 u 到 v 的最短路径是从 u 到 x 的最短路径与从 x 到 v 的最短路径的组合。

标准的全对最短路径算法,例如 Floyd-Warshall 和 Bellman-Ford,是动态规划的典型示例。

动态规划方法的步骤

动态规划算法的设计包含以下四个步骤 −

  • 描述最优解的结构。

  • 递归定义最优解的值。

  • 计算最优解的值,通常采用自下而上的方式。

  • 根据计算结果构建最优解。

动态规划、贪婪算法和分治算法

与贪婪算法相比,动态算法致力于对问题进行整体优化,贪婪算法专注于局部优化。

与分治算法相比,动态算法将解组合起来以获得整体解,而分治算法则使用较小子问题的输出,然后尝试优化更大的子问题。动态算法利用记忆来记住已解决子问题的输出。

动态规划示例

以下计算机问题可以使用动态规划方法求解 −

动态规划既可以自上而下使用,也可以自下而上使用。当然,大多数情况下,参考先前的解决方案输出比重新计算更节省 CPU 周期。