计算概论 动态规划
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动态规划算法原理及应用动态规划算法(Dynamic Programming,DP)是一种通过将问题分解为子问题来解决复杂问题的方法。
其核心思想就是将原问题分解为若干个子问题,先求解子问题,然后再根据子问题的解得出原问题的解。
1.定义子问题:将原问题分解为若干个子问题,每个子问题都是原问题的一个子集。
2.构建状态转移方程:根据子问题的关系,建立状态转移方程来描述问题的解。
3.确定边界条件:确定问题的边界条件,即当问题规模很小的时候可以直接求解的情况。
4.自底向上求解:根据状态转移方程,自底向上地求解子问题,最终得到原问题的解。
1.背包问题:给定一个背包的容量和一系列物品的重量和价值,选择若干个物品放入背包中,使得背包的总重量不超过容量,同时总价值最大化。
2.最长公共子序列(LCS)问题:给定两个字符串,求它们的最长公共子序列,即两个字符串中都出现的最长的子序列。
3.最短路径问题:给定一个有向带权图和两个顶点,求两个顶点之间的最短路径。
4.最大连续子序列和问题:给定一个整数数组,找到一个具有最大和的连续子序列。
5.斐波那契数列:求解斐波那契数列中第n个数的值。
其中,斐波那契数列的定义为:F(0)=0,F(1)=1,F(n)=F(n-1)+F(n-2),n>11.避免了重复计算:动态规划算法使用备忘录或者数组来存储中间计算结果,避免了重复计算,提高了效率。
2.自底向上求解:动态规划算法从最小的子问题开始求解,逐步拓展到原问题,保证了每个子问题都是已经求解过的。
3.可通过状态压缩进行优化:动态规划算法中,可以根据具体问题的特点,通过状态压缩来减少空间复杂度。
然而,动态规划算法也有一些限制:1.无法应用于所有问题:动态规划算法要求问题满足最优子结构的性质,因此不是所有问题都可以使用动态规划算法来解决。
2.有时需要额外的空间和时间:动态规划算法可能需要使用额外的空间来存储中间结果,同时也需要额外的时间来计算和存储中间结果。
动态规划算法详解及经典例题⼀、基本概念(1)⼀种使⽤多阶段决策过程最优的通⽤⽅法。
(2)动态规划过程是:每次决策依赖于当前状态,⼜随即引起状态的转移。
⼀个决策序列就是在变化的状态中产⽣出来的,所以,这种多阶段最优化决策解决问题的过程就称为动态规划。
假设问题是由交叠的⼦问题所构成,我们就能够⽤动态规划技术来解决它。
⼀般来说,这种⼦问题出⾃对给定问题求解的递推关系中,这个递推关系包括了同样问题的更⼩⼦问题的解。
动态规划法建议,与其对交叠⼦问题⼀次重新的求解,不如把每⼀个较⼩⼦问题仅仅求解⼀次并把结果记录在表中(动态规划也是空间换时间的)。
这样就能够从表中得到原始问题的解。
(3)动态规划经常常使⽤于解决最优化问题,这些问题多表现为多阶段决策。
关于多阶段决策:在实际中,⼈们经常遇到这样⼀类决策问题,即因为过程的特殊性,能够将决策的全过程根据时间或空间划分若⼲个联系的阶段。
⽽在各阶段中。
⼈们都须要作出⽅案的选择。
我们称之为决策。
⽽且当⼀个阶段的决策之后,经常影响到下⼀个阶段的决策,从⽽影响整个过程的活动。
这样,各个阶段所确定的决策就构成⼀个决策序列,常称之为策略。
因为各个阶段可供选择的决策往往不⽌⼀个。
因⽽就可能有很多决策以供选择,这些可供选择的策略构成⼀个集合,我们称之为同意策略集合(简称策略集合)。
每⼀个策略都对应地确定⼀种活动的效果。
我们假定这个效果能够⽤数量来衡量。
因为不同的策略经常导致不同的效果,因此,怎样在同意策略集合中选择⼀个策略,使其在预定的标准下达到最好的效果。
经常是⼈们所关⼼的问题。
我们称这种策略为最优策略,这类问题就称为多阶段决策问题。
(4)多阶段决策问题举例:机器负荷分配问题某种机器能够在⾼低两种不同的负荷下进⾏⽣产。
在⾼负荷下⽣产时。
产品的年产量g和投⼊⽣产的机器数量x的关系为g=g(x),这时的年完善率为a,即假设年初完善机器数为x,到年终时完善的机器数为a*x(0<a<1);在低负荷下⽣产时,产品的年产量h和投⼊⽣产的机器数量y 的关系为h=h(y)。