经典算法面试题:经典动态规划-最长公共子序列

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最⻓公共⼦序列(Longest Common Subsequence,简称 LCS)是⼀道⾮常经典的⾯试题⽬,因为它的解法是典型的⼆维动态规划,⼤部分⽐较困难的字符串问题都和这个问题⼀个套路,⽐如说编辑距离。⽽且,这个算法稍加改造就可以⽤于解决其他问题,所以说 LCS 算法是值得掌握的。
题⽬就是让我们求两个字符串的 LCS ⻓度:

输⼊: str1 = "abcde", str2 = "ace" 
输出: 3 
解释: 最⻓公共⼦序列是 "ace",它的⻓度是 3

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肯定有读者会问,为啥这个问题就是动态规划来解决呢?因为⼦序列类型的问题,穷举出所有可能的结果都不容易,⽽动态规划算法做的就是穷举 +剪枝,它俩天⽣⼀对⼉。所以可以说只要涉及⼦序列问题,⼗有⼋九都需要动态规划来解决,往这⽅⾯考虑就对了。
下⾯就来⼿把⼿分析⼀下,这道题⽬如何⽤动态规划技巧解决。

⼀、动态规划思路

第⼀步,⼀定要明确 dp 数组的含义

对于两个字符串的动态规划问题,套路是通⽤的。 ⽐如说对于字符串 s1 和 s2 ,⼀般来说都要构造⼀个这样的 DP table:
image.png

为了⽅便理解此表,我们暂时认为索引是从 1 开始的,待会的代码中只要稍 作调整即可。其中, dpi 的含义是:对于 s1[1..i] 和 s2[1..j] , 它们的 LCS ⻓度是 dpi 。
⽐如上图的例⼦,d2 的含义就是:对于 "ac" 和 "babc" ,它们的LCS ⻓度是 2。我们最终想得到的答案应该是 dp3 。

第⼆步,定义 base case

我们专门让索引为 0 的⾏和列表⽰空串, dp0 和 dp.. 都应该初始化为 0,这就是 base case。
⽐如说,按照刚才 dp 数组的定义, dp0=0 的含义是:对于字符串"" 和 "bab" ,其 LCS 的⻓度为 0。因为有⼀个字符串是空串,它们的最⻓公共⼦序列的⻓度显然应该是 0。

第三步,找状态转移⽅程

这是动态规划最难的⼀步,不过好在这种字符串问题的套路都差不多,权且借这道题来聊聊处理这类问题的思路。
状态转移说简单些就是做选择,⽐如说这个问题,是求 s1 和 s2 的最⻓公共⼦序列,不妨称这个⼦序列为 lcs 。那么对于 s1 和 s2 中的每个字符,有什么选择?很简单,两种选择,要么在 lcs 中,要么不在。
image.png
这个「在」和「不在」就是选择,关键是,应该如何选择呢?这个需要动点脑筋:如果某个字符应该在 lcs 中,那么这个字符肯定同时存在于 s1 和s2 中,因为 lcs 是最⻓公共⼦序列嘛。所以本题的思路是这样:

⽤两个指针 i 和 j 从后往前遍历 s1 和 s2 ,如果 s1[i]==s2[j] ,那么这个字符⼀定在 lcs 中;否则的话, s1[i] 和 s2[j] 这两个字符⾄少有⼀个不在 lcs 中,需要丢弃⼀个。先看⼀下递归解法,⽐较容易理解:

def longestCommonSubsequence(str1, str2) -> int: 
def dp(i, j): 
# 空串的 base case if i == -1 or j == -1: return 0 if str1[i] == str2[j]: 
# 这边找到⼀个 lcs 的元素,继续往前找 return dp(i - 1, j - 1) + 1 else:
# 谁能让 lcs 最⻓,就听谁的 return max(dp(i-1, j), dp(i, j-1))
# i 和 j 初始化为最后⼀个索引 return dp(len(str1)-1, len(str2)-1)

对于第⼀种情况,找到⼀个 lcs 中的字符,同时将 i j 向前移动⼀位,并给 lcs 的⻓度加⼀;对于后者,则尝试两种情况,取更⼤的结果。
其实这段代码就是暴⼒解法,我们可以通过备忘录或者 DP table 来优化时间复杂度,⽐如通过前⽂描述的 DP table 来解决:

⼆、疑难解答

对于 s1[i] 和 s2[j] 不相等的情况,⾄少有⼀个字符不在 lcs 中,会不会两个字符都不在呢?⽐如下⾯这种情况:

image.png

所以代码是不是应该考虑这种情况,改成这样:

if str1[i - 1] == str2[j - 1]: 
# ... else:dp[i][j] = max(dp[i-1][j], dp[i][j-1], dp[i-1][j-1])

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