知乎转载:什么是动态规划 (节选)

Dynamic programming

Posted by cslqm on September 24, 2019

开始

  很有意思的问题。以往见过许多教材,对动态规划(DP)的引入属于“奉天承运,皇帝诏曰”式:不给出一点引入,见面即拿出一大堆公式吓人;学生则死啃书本,然后突然顿悟。针对入门者的教材不应该是这样的。恰好我给入门者讲过四次DP入门,迭代出了一套比较靠谱的教学方法,所以今天跑过来献丑。   现在,我们试着自己来一步步“重新发明”DP。

从一个生活问题谈起  

  先来看看生活中经常遇到的事吧——假设您是个土豪,身上带了足够的1、5、10、20、50、100元面值的钞票。现在您的目标是凑出某个金额w,需要用到尽量少的钞票。

  依据生活经验,我们显然可以采取这样的策略:能用100的就尽量用100的,否则尽量用50的……依次类推。在这种策略下,666=6×100+1×50+1×10+1×5+1×1,共使用了10张钞票。

  这种策略称为“贪心”:假设我们面对的局面是“需要凑出w”,贪心策略会尽快让w变得更小。能让w少100就尽量让它少100,这样我们接下来面对的局面就是凑出w-100。长期的生活经验表明,贪心策略是正确的。

  但是,如果我们换一组钞票的面值,贪心策略就也许不成立了。如果一个奇葩国家的钞票面额分别是1、5、11,那么我们在凑出15的时候,贪心策略会出错:   15=1×11+4×1 (贪心策略使用了5张钞票)   15=3×5 (正确的策略,只用3张钞票)

  为什么会这样呢?贪心策略错在了哪里?

  鼠目寸光。

  刚刚已经说过,贪心策略的纲领是:“尽量使接下来面对的w更小”。这样,贪心策略在w=15的局面时,会优先使用11来把w降到4;但是在这个问题中,凑出4的代价是很高的,必须使用4×1。如果使用了5,w会降为10,虽然没有4那么小,但是凑出10只需要两张5元。

  在这里我们发现,贪心是一种只考虑眼前情况的策略。

  那么,现在我们怎样才能避免鼠目寸光呢?

  如果直接暴力枚举凑出w的方案,明显复杂度过高。太多种方法可以凑出w了,枚举它们的时间是不可承受的。我们现在来尝试找一下性质。

  重新分析刚刚的例子。w=15时,我们如果取11,接下来就面对w=4的情况;如果取5,则接下来面对w=10的情况。我们发现这些问题都有相同的形式:“给定w,凑出w所用的最少钞票是多少张?”接下来,我们用f(n)来表示“凑出n所需的最少钞票数量”。

  那么,如果我们取了11,最后的代价(用掉的钞票总数)是多少呢?

  明显 ,它的意义是:利用11来凑出15,付出的代价等于f(4)加上自己这一张钞票。现在我们暂时不管f(4)怎么求出来。

  依次类推,马上可以知道:如果我们用5来凑出15,cost就是 。

  那么,现在w=15的时候,我们该取那种钞票呢?当然是各种方案中,cost值最低的那一个!

  - 取11: cost = f(4) + 1 = 4 + 1   - 取5: cost = f(10) + 1 = 2 + 1   - 取1: cost = f(14) + 1 = 4 + 1

  显而易见,cost值最低的是取5的方案。我们通过上面三个式子,做出了正确的决策!

  这给了我们一个至关重要的启示—— f(n) 只与 f(n - 1), f(n - 5), f(n - 11) 相关;更确切地说:f(n) = min{f(n - 1), f(n - 5), f(n - 11)}

  这两个事实,保证了我们做法的正确性。它比起贪心策略,会分别算出取1、5、11的代价,从而做出一个正确决策,这样就避免掉了“鼠目寸光”!

  它与暴力的区别在哪里?我们的暴力枚举了“使用的硬币”,然而这属于冗余信息。我们要的是答案,根本不关心这个答案是怎么凑出来的。譬如,要求出f(15),只需要知道f(14),f(10),f(4)的值。其他信息并不需要。我们舍弃了冗余信息。我们只记录了对解决问题有帮助的信息——f(n).

  我们能这样干,取决于问题的性质:求出f(n),只需要知道几个更小的f(c)。我们将求解f(c)称作求解f(n)的“子问题”。

  这就是DP(动态规划,dynamic programming).

几个简单的概念

###【无后效性】

  一旦f(n)确定,“我们如何凑出f(n)”就再也用不着了。

  要求出f(15),只需要知道f(14),f(10),f(4)的值,而f(14),f(10),f(4)是如何算出来的,对之后的问题没有影响。

  “未来与过去无关”,这就是无后效性。

  (严格定义:如果给定某一阶段的状态,则在这一阶段以后过程的发展不受这阶段以前各段状态的影响。)

###【最优子结构】

  回顾我们对f(n)的定义:我们记“凑出n所需的最少钞票数量”为f(n).

  f(n)的定义就已经蕴含了“最优”。利用w=14,10,4的最优解,我们即可算出w=15的最优解。

  大问题的最优解可以由小问题的最优解推出,这个性质叫做“最优子结构性质”。

  引入这两个概念之后,我们如何判断一个问题能否使用DP解决呢?

  能将大问题拆成几个小问题,且满足无后效性、最优子结构性质。