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# 14.2   动态规划问题特性
在上节中，我们学习了动态规划是如何通过子问题分解来求解问题的。实际上，子问题分解是一种通用的算法思路，在分治、动态规划、回溯中的侧重点不同。
- 分治算法递归地将原问题划分为多个相互独立的子问题，直至最小子问题，并在回溯中合并子问题的解，最终得到原问题的解。
- 动态规划也对问题进行递归分解，但与分治算法的主要区别是，动态规划中的子问题是相互依赖的，在分解过程中会出现许多重叠子问题。
- 回溯算法在尝试和回退中穷举所有可能的解，并通过剪枝避免不必要的搜索分支。原问题的解由一系列决策步骤构成，我们可以将每个决策步骤之前的子序列看作为一个子问题。
实际上，动态规划常用来求解最优化问题，它们不仅包含重叠子问题，还具有另外两大特性：最优子结构、无后效性。
## 14.2.1   最优子结构
我们对爬楼梯问题稍作改动，使之更加适合展示最优子结构概念。
!!! question "爬楼梯最小代价"
给定一个楼梯，你每步可以上 $1$ 阶或者 $2$ 阶，每一阶楼梯上都贴有一个非负整数，表示你在该台阶所需要付出的代价。给定一个非负整数数组 $cost$ ，其中 $cost[i]$ 表示在第 $i$ 个台阶需要付出的代价，$cost[0]$ 为地面起始点。请计算最少需要付出多少代价才能到达顶部？
如图 14-6 所示，若第 $1$、$2$、$3$ 阶的代价分别为 $1$、$10$、$1$ ，则从地面爬到第 $3$ 阶的最小代价为 $2$ 。
![爬到第 3 阶的最小代价](dp_problem_features.assets/min_cost_cs_example.png)
<p align="center"> 图 14-6 &nbsp; 爬到第 3 阶的最小代价 </p>
设 $dp[i]$ 为爬到第 $i$ 阶累计付出的代价，由于第 $i$ 阶只可能从 $i - 1$ 阶或 $i - 2$ 阶走来，因此 $dp[i]$ 只可能等于 $dp[i - 1] + cost[i]$ 或 $dp[i - 2] + cost[i]$ 。为了尽可能减少代价，我们应该选择两者中较小的那一个：
$$
dp[i] = \min(dp[i-1], dp[i-2]) + cost[i]
$$
这便可以引出最优子结构的含义：**原问题的最优解是从子问题的最优解构建得来的**。
本题显然具有最优子结构：我们从两个子问题最优解 $dp[i-1]$ 和 $dp[i-2]$ 中挑选出较优的那一个，并用它构建出原问题 $dp[i]$ 的最优解。
那么，上节的爬楼梯题目有没有最优子结构呢？它的目标是求解方案数量，看似是一个计数问题，但如果换一种问法：“求解最大方案数量”。我们意外地发现，**虽然题目修改前后是等价的，但最优子结构浮现出来了**：第 $n$ 阶最大方案数量等于第 $n-1$ 阶和第 $n-2$ 阶最大方案数量之和。所以说，最优子结构的解释方式比较灵活，在不同问题中会有不同的含义。
根据状态转移方程，以及初始状态 $dp[1] = cost[1]$ 和 $dp[2] = cost[2]$ ，我们就可以得到动态规划代码。
=== "Python"
```python title="min_cost_climbing_stairs_dp.py"
def min_cost_climbing_stairs_dp(cost: list[int]) -> int:
"""爬楼梯最小代价：动态规划"""
n = len(cost) - 1
if n == 1 or n == 2:
return cost[n]
# 初始化 dp 表，用于存储子问题的解
dp = [0] * (n + 1)
# 初始状态：预设最小子问题的解
dp[1], dp[2] = cost[1], cost[2]
# 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for i in range(3, n + 1):
dp[i] = min(dp[i - 1], dp[i - 2]) + cost[i]
return dp[n]
```
=== "C++"
```cpp title="min_cost_climbing_stairs_dp.cpp"
/* 爬楼梯最小代价：动态规划 */
int minCostClimbingStairsDP(vector<int> &cost) {
int n = cost.size() - 1;
if (n == 1 || n == 2)
return cost[n];
// 初始化 dp 表，用于存储子问题的解
vector<int> dp(n + 1);
// 初始状态：预设最小子问题的解
dp[1] = cost[1];
dp[2] = cost[2];
// 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for (int i = 3; i <= n; i++) {
dp[i] = min(dp[i - 1], dp[i - 2]) + cost[i];
}
return dp[n];
}
```
=== "Java"
```java title="min_cost_climbing_stairs_dp.java"
/* 爬楼梯最小代价：动态规划 */
int minCostClimbingStairsDP(int[] cost) {
int n = cost.length - 1;
if (n == 1 || n == 2)
return cost[n];
// 初始化 dp 表，用于存储子问题的解
int[] dp = new int[n + 1];
// 初始状态：预设最小子问题的解
dp[1] = cost[1];
dp[2] = cost[2];
// 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for (int i = 3; i <= n; i++) {
dp[i] = Math.min(dp[i - 1], dp[i - 2]) + cost[i];
}
return dp[n];
}
```
=== "C#"
```csharp title="min_cost_climbing_stairs_dp.cs"
/* 爬楼梯最小代价：动态规划 */
int MinCostClimbingStairsDP(int[] cost) {
int n = cost.Length - 1;
if (n == 1 || n == 2)
return cost[n];
// 初始化 dp 表，用于存储子问题的解
int[] dp = new int[n + 1];
// 初始状态：预设最小子问题的解
dp[1] = cost[1];
dp[2] = cost[2];
// 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for (int i = 3; i <= n; i++) {
dp[i] = Math.Min(dp[i - 1], dp[i - 2]) + cost[i];
}
return dp[n];
}
```
=== "Go"
```go title="min_cost_climbing_stairs_dp.go"
/* 爬楼梯最小代价：动态规划 */
func minCostClimbingStairsDP(cost []int) int {
n := len(cost) - 1
if n == 1 || n == 2 {
return cost[n]
}
min := func(a, b int) int {
if a < b {
return a
}
return b
}
// 初始化 dp 表，用于存储子问题的解
dp := make([]int, n+1)
// 初始状态：预设最小子问题的解
dp[1] = cost[1]
dp[2] = cost[2]
// 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for i := 3; i <= n; i++ {
dp[i] = min(dp[i-1], dp[i-2]) + cost[i]
}
return dp[n]
}
```
=== "Swift"
```swift title="min_cost_climbing_stairs_dp.swift"
/* 爬楼梯最小代价：动态规划 */
func minCostClimbingStairsDP(cost: [Int]) -> Int {
let n = cost.count - 1
if n == 1 || n == 2 {
return cost[n]
}
// 初始化 dp 表，用于存储子问题的解
var dp = Array(repeating: 0, count: n + 1)
// 初始状态：预设最小子问题的解
dp[1] = cost[1]
dp[2] = cost[2]
// 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for i in stride(from: 3, through: n, by: 1) {
dp[i] = min(dp[i - 1], dp[i - 2]) + cost[i]
}
return dp[n]
}
```
=== "JS"
```javascript title="min_cost_climbing_stairs_dp.js"
/* 爬楼梯最小代价：动态规划 */
function minCostClimbingStairsDP(cost) {
const n = cost.length - 1;
if (n === 1 || n === 2) {
return cost[n];
}
// 初始化 dp 表，用于存储子问题的解
const dp = new Array(n + 1);
// 初始状态：预设最小子问题的解
dp[1] = cost[1];
dp[2] = cost[2];
// 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for (let i = 3; i <= n; i++) {
dp[i] = Math.min(dp[i - 1], dp[i - 2]) + cost[i];
}
return dp[n];
}
```
=== "TS"
```typescript title="min_cost_climbing_stairs_dp.ts"
/* 爬楼梯最小代价：动态规划 */
function minCostClimbingStairsDP(cost: Array<number>): number {
const n = cost.length - 1;
if (n === 1 || n === 2) {
return cost[n];
}
// 初始化 dp 表，用于存储子问题的解
const dp = new Array(n + 1);
// 初始状态：预设最小子问题的解
dp[1] = cost[1];
dp[2] = cost[2];
// 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for (let i = 3; i <= n; i++) {
dp[i] = Math.min(dp[i - 1], dp[i - 2]) + cost[i];
}
return dp[n];
}
```
=== "Dart"
```dart title="min_cost_climbing_stairs_dp.dart"
/* 爬楼梯最小代价：动态规划 */
int minCostClimbingStairsDP(List<int> cost) {
int n = cost.length - 1;
if (n == 1 || n == 2) return cost[n];
// 初始化 dp 表，用于存储子问题的解
List<int> dp = List.filled(n + 1, 0);
// 初始状态：预设最小子问题的解
dp[1] = cost[1];
dp[2] = cost[2];
// 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for (int i = 3; i <= n; i++) {
dp[i] = min(dp[i - 1], dp[i - 2]) + cost[i];
}
return dp[n];
}
```
=== "Rust"
```rust title="min_cost_climbing_stairs_dp.rs"
/* 爬楼梯最小代价：动态规划 */
fn min_cost_climbing_stairs_dp(cost: &[i32]) -> i32 {
let n = cost.len() - 1;
if n == 1 || n == 2 { return cost[n]; }
// 初始化 dp 表，用于存储子问题的解
let mut dp = vec![-1; n + 1];
// 初始状态：预设最小子问题的解
dp[1] = cost[1];
dp[2] = cost[2];
// 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for i in 3..=n {
dp[i] = cmp::min(dp[i - 1], dp[i - 2]) + cost[i];
}
dp[n]
}
```
=== "C"
```c title="min_cost_climbing_stairs_dp.c"
/* 爬楼梯最小代价：动态规划 */
int minCostClimbingStairsDP(int cost[], int costSize) {
int n = costSize - 1;
if (n == 1 || n == 2)
return cost[n];
// 初始化 dp 表，用于存储子问题的解
int dp[n + 1];
// 初始状态：预设最小子问题的解
dp[1] = cost[1];
dp[2] = cost[2];
// 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for (int i = 3; i <= n; i++) {
dp[i] = min(dp[i - 1], dp[i - 2]) + cost[i];
}
return dp[n];
}
```
=== "Zig"
```zig title="min_cost_climbing_stairs_dp.zig"
// 爬楼梯最小代价：动态规划
fn minCostClimbingStairsDP(comptime cost: []i32) i32 {
comptime var n = cost.len - 1;
if (n == 1 or n == 2) {
return cost[n];
}
// 初始化 dp 表，用于存储子问题的解
var dp = [_]i32{-1} ** (n + 1);
// 初始状态：预设最小子问题的解
dp[1] = cost[1];
dp[2] = cost[2];
// 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for (3..n + 1) |i| {
dp[i] = @min(dp[i - 1], dp[i - 2]) + cost[i];
}
return dp[n];
}
```
图 14-7 展示了以上代码的动态规划过程。
![爬楼梯最小代价的动态规划过程](dp_problem_features.assets/min_cost_cs_dp.png)
<p align="center"> 图 14-7 &nbsp; 爬楼梯最小代价的动态规划过程 </p>
本题也可以进行空间优化，将一维压缩至零维，使得空间复杂度从 $O(n)$ 降低至 $O(1)$ 。
=== "Python"
```python title="min_cost_climbing_stairs_dp.py"
def min_cost_climbing_stairs_dp_comp(cost: list[int]) -> int:
"""爬楼梯最小代价：空间优化后的动态规划"""
n = len(cost) - 1
if n == 1 or n == 2:
return cost[n]
a, b = cost[1], cost[2]
for i in range(3, n + 1):
a, b = b, min(a, b) + cost[i]
return b
```
=== "C++"
```cpp title="min_cost_climbing_stairs_dp.cpp"
/* 爬楼梯最小代价：空间优化后的动态规划 */
int minCostClimbingStairsDPComp(vector<int> &cost) {
int n = cost.size() - 1;
if (n == 1 || n == 2)
return cost[n];
int a = cost[1], b = cost[2];
for (int i = 3; i <= n; i++) {
int tmp = b;
b = min(a, tmp) + cost[i];
a = tmp;
}
return b;
}
```
=== "Java"
```java title="min_cost_climbing_stairs_dp.java"
/* 爬楼梯最小代价：空间优化后的动态规划 */
int minCostClimbingStairsDPComp(int[] cost) {
int n = cost.length - 1;
if (n == 1 || n == 2)
return cost[n];
int a = cost[1], b = cost[2];
for (int i = 3; i <= n; i++) {
int tmp = b;
b = Math.min(a, tmp) + cost[i];
a = tmp;
}
return b;
}
```
=== "C#"
```csharp title="min_cost_climbing_stairs_dp.cs"
/* 爬楼梯最小代价：空间优化后的动态规划 */
int MinCostClimbingStairsDPComp(int[] cost) {
int n = cost.Length - 1;
if (n == 1 || n == 2)
return cost[n];
int a = cost[1], b = cost[2];
for (int i = 3; i <= n; i++) {
int tmp = b;
b = Math.Min(a, tmp) + cost[i];
a = tmp;
}
return b;
}
```
=== "Go"
```go title="min_cost_climbing_stairs_dp.go"
/* 爬楼梯最小代价：空间优化后的动态规划 */
func minCostClimbingStairsDPComp(cost []int) int {
n := len(cost) - 1
if n == 1 || n == 2 {
return cost[n]
}
min := func(a, b int) int {
if a < b {
return a
}
return b
}
// 初始状态：预设最小子问题的解
a, b := cost[1], cost[2]
// 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for i := 3; i <= n; i++ {
tmp := b
b = min(a, tmp) + cost[i]
a = tmp
}
return b
}
```
=== "Swift"
```swift title="min_cost_climbing_stairs_dp.swift"
/* 爬楼梯最小代价：空间优化后的动态规划 */
func minCostClimbingStairsDPComp(cost: [Int]) -> Int {
let n = cost.count - 1
if n == 1 || n == 2 {
return cost[n]
}
var (a, b) = (cost[1], cost[2])
for i in stride(from: 3, through: n, by: 1) {
(a, b) = (b, min(a, b) + cost[i])
}
return b
}
```
=== "JS"
```javascript title="min_cost_climbing_stairs_dp.js"
/* 爬楼梯最小代价：状态压缩后的动态规划 */
function minCostClimbingStairsDPComp(cost) {
const n = cost.length - 1;
if (n === 1 || n === 2) {
return cost[n];
}
let a = cost[1],
b = cost[2];
for (let i = 3; i <= n; i++) {
const tmp = b;
b = Math.min(a, tmp) + cost[i];
a = tmp;
}
return b;
}
```
=== "TS"
```typescript title="min_cost_climbing_stairs_dp.ts"
/* 爬楼梯最小代价：状态压缩后的动态规划 */
function minCostClimbingStairsDPComp(cost: Array<number>): number {
const n = cost.length - 1;
if (n === 1 || n === 2) {
return cost[n];
}
let a = cost[1],
b = cost[2];
for (let i = 3; i <= n; i++) {
const tmp = b;
b = Math.min(a, tmp) + cost[i];
a = tmp;
}
return b;
}
```
=== "Dart"
```dart title="min_cost_climbing_stairs_dp.dart"
/* 爬楼梯最小代价：空间优化后的动态规划 */
int minCostClimbingStairsDPComp(List<int> cost) {
int n = cost.length - 1;
if (n == 1 || n == 2) return cost[n];
int a = cost[1], b = cost[2];
for (int i = 3; i <= n; i++) {
int tmp = b;
b = min(a, tmp) + cost[i];
a = tmp;
}
return b;
}
```
=== "Rust"
```rust title="min_cost_climbing_stairs_dp.rs"
/* 爬楼梯最小代价：空间优化后的动态规划 */
fn min_cost_climbing_stairs_dp_comp(cost: &[i32]) -> i32 {
let n = cost.len() - 1;
if n == 1 || n == 2 { return cost[n] };
let (mut a, mut b) = (cost[1], cost[2]);
for i in 3..=n {
let tmp = b;
b = cmp::min(a, tmp) + cost[i];
a = tmp;
}
b
}
```
=== "C"
```c title="min_cost_climbing_stairs_dp.c"
/* 爬楼梯最小代价：空间优化后的动态规划 */
int minCostClimbingStairsDPComp(int cost[], int costSize) {
int n = costSize - 1;
if (n == 1 || n == 2)
return cost[n];
int a = cost[1], b = cost[2];
for (int i = 3; i <= n; i++) {
int tmp = b;
b = min(a, tmp) + cost[i];
a = tmp;
}
return b;
}
```
=== "Zig"
```zig title="min_cost_climbing_stairs_dp.zig"
// 爬楼梯最小代价：空间优化后的动态规划
fn minCostClimbingStairsDPComp(cost: []i32) i32 {
var n = cost.len - 1;
if (n == 1 or n == 2) {
return cost[n];
}
var a = cost[1];
var b = cost[2];
// 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for (3..n + 1) |i| {
var tmp = b;
b = @min(a, tmp) + cost[i];
a = tmp;
}
return b;
}
```
## 14.2.2 &nbsp; 无后效性
无后效性是动态规划能够有效解决问题的重要特性之一，定义为：**给定一个确定的状态，它的未来发展只与当前状态有关，而与当前状态过去所经历过的所有状态无关**。
以爬楼梯问题为例，给定状态 $i$ ，它会发展出状态 $i+1$ 和状态 $i+2$ ，分别对应跳 $1$ 步和跳 $2$ 步。在做出这两种选择时，我们无须考虑状态 $i$ 之前的状态，它们对状态 $i$ 的未来没有影响。
然而，如果我们向爬楼梯问题添加一个约束，情况就不一样了。
!!! question "带约束爬楼梯"
给定一个共有 $n$ 阶的楼梯，你每步可以上 $1$ 阶或者 $2$ 阶，**但不能连续两轮跳 $1$ 阶**，请问有多少种方案可以爬到楼顶。
例如图 14-8 ，爬上第 $3$ 阶仅剩 $2$ 种可行方案，其中连续三次跳 $1$ 阶的方案不满足约束条件，因此被舍弃。
![带约束爬到第 3 阶的方案数量](dp_problem_features.assets/climbing_stairs_constraint_example.png)
<p align="center"> 图 14-8 &nbsp; 带约束爬到第 3 阶的方案数量 </p>
在该问题中，如果上一轮是跳 $1$ 阶上来的，那么下一轮就必须跳 $2$ 阶。这意味着，**下一步选择不能由当前状态（当前楼梯阶数）独立决定，还和前一个状态（上轮楼梯阶数）有关**。
不难发现，此问题已不满足无后效性，状态转移方程 $dp[i] = dp[i-1] + dp[i-2]$ 也失效了，因为 $dp[i-1]$ 代表本轮跳 $1$ 阶，但其中包含了许多“上一轮跳 $1$ 阶上来的”方案，而为了满足约束，我们就不能将 $dp[i-1]$ 直接计入 $dp[i]$ 中。
为此，我们需要扩展状态定义：**状态 $[i, j]$ 表示处在第 $i$ 阶、并且上一轮跳了 $j$ 阶**，其中 $j \in \{1, 2\}$ 。此状态定义有效地区分了上一轮跳了 $1$ 阶还是 $2$ 阶，我们可以据此来判断当前状态是从何而来的。
- 当上一轮跳了 $1$ 阶时，上上一轮只能选择跳 $2$ 阶，即 $dp[i, 1]$ 只能从 $dp[i-1, 2]$ 转移过来。
- 当上一轮跳了 $2$ 阶时，上上一轮可选择跳 $1$ 阶或跳 $2$ 阶，即 $dp[i, 2]$ 可以从 $dp[i-2, 1]$ 或 $dp[i-2, 2]$ 转移过来。
如图 14-9 所示，在该定义下，$dp[i, j]$ 表示状态 $[i, j]$ 对应的方案数。此时状态转移方程为：
$$
\begin{cases}
dp[i, 1] = dp[i-1, 2] \\
dp[i, 2] = dp[i-2, 1] + dp[i-2, 2]
\end{cases}
$$
![考虑约束下的递推关系](dp_problem_features.assets/climbing_stairs_constraint_state_transfer.png)
<p align="center"> 图 14-9 &nbsp; 考虑约束下的递推关系 </p>
最终，返回 $dp[n, 1] + dp[n, 2]$ 即可，两者之和代表爬到第 $n$ 阶的方案总数。
=== "Python"
```python title="climbing_stairs_constraint_dp.py"
def climbing_stairs_constraint_dp(n: int) -> int:
"""带约束爬楼梯：动态规划"""
if n == 1 or n == 2:
return 1
# 初始化 dp 表，用于存储子问题的解
dp = [[0] * 3 for _ in range(n + 1)]
# 初始状态：预设最小子问题的解
dp[1][1], dp[1][2] = 1, 0
dp[2][1], dp[2][2] = 0, 1
# 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for i in range(3, n + 1):
dp[i][1] = dp[i - 1][2]
dp[i][2] = dp[i - 2][1] + dp[i - 2][2]
return dp[n][1] + dp[n][2]
```
=== "C++"
```cpp title="climbing_stairs_constraint_dp.cpp"
/* 带约束爬楼梯：动态规划 */
int climbingStairsConstraintDP(int n) {
if (n == 1 || n == 2) {
return 1;
}
// 初始化 dp 表，用于存储子问题的解
vector<vector<int>> dp(n + 1, vector<int>(3, 0));
// 初始状态：预设最小子问题的解
dp[1][1] = 1;
dp[1][2] = 0;
dp[2][1] = 0;
dp[2][2] = 1;
// 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for (int i = 3; i <= n; i++) {
dp[i][1] = dp[i - 1][2];
dp[i][2] = dp[i - 2][1] + dp[i - 2][2];
}
return dp[n][1] + dp[n][2];
}
```
=== "Java"
```java title="climbing_stairs_constraint_dp.java"
/* 带约束爬楼梯：动态规划 */
int climbingStairsConstraintDP(int n) {
if (n == 1 || n == 2) {
return 1;
}
// 初始化 dp 表，用于存储子问题的解
int[][] dp = new int[n + 1][3];
// 初始状态：预设最小子问题的解
dp[1][1] = 1;
dp[1][2] = 0;
dp[2][1] = 0;
dp[2][2] = 1;
// 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for (int i = 3; i <= n; i++) {
dp[i][1] = dp[i - 1][2];
dp[i][2] = dp[i - 2][1] + dp[i - 2][2];
}
return dp[n][1] + dp[n][2];
}
```
=== "C#"
```csharp title="climbing_stairs_constraint_dp.cs"
/* 带约束爬楼梯：动态规划 */
int ClimbingStairsConstraintDP(int n) {
if (n == 1 || n == 2) {
return 1;
}
// 初始化 dp 表，用于存储子问题的解
int[,] dp = new int[n + 1, 3];
// 初始状态：预设最小子问题的解
dp[1, 1] = 1;
dp[1, 2] = 0;
dp[2, 1] = 0;
dp[2, 2] = 1;
// 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for (int i = 3; i <= n; i++) {
dp[i, 1] = dp[i - 1, 2];
dp[i, 2] = dp[i - 2, 1] + dp[i - 2, 2];
}
return dp[n, 1] + dp[n, 2];
}
```
=== "Go"
```go title="climbing_stairs_constraint_dp.go"
/* 带约束爬楼梯：动态规划 */
func climbingStairsConstraintDP(n int) int {
if n == 1 || n == 2 {
return 1
}
// 初始化 dp 表，用于存储子问题的解
dp := make([][3]int, n+1)
// 初始状态：预设最小子问题的解
dp[1][1] = 1
dp[1][2] = 0
dp[2][1] = 0
dp[2][2] = 1
// 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for i := 3; i <= n; i++ {
dp[i][1] = dp[i-1][2]
dp[i][2] = dp[i-2][1] + dp[i-2][2]
}
return dp[n][1] + dp[n][2]
}
```
=== "Swift"
```swift title="climbing_stairs_constraint_dp.swift"
/* 带约束爬楼梯：动态规划 */
func climbingStairsConstraintDP(n: Int) -> Int {
if n == 1 || n == 2 {
return 1
}
// 初始化 dp 表，用于存储子问题的解
var dp = Array(repeating: Array(repeating: 0, count: 3), count: n + 1)
// 初始状态：预设最小子问题的解
dp[1][1] = 1
dp[1][2] = 0
dp[2][1] = 0
dp[2][2] = 1
// 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for i in stride(from: 3, through: n, by: 1) {
dp[i][1] = dp[i - 1][2]
dp[i][2] = dp[i - 2][1] + dp[i - 2][2]
}
return dp[n][1] + dp[n][2]
}
```
=== "JS"
```javascript title="climbing_stairs_constraint_dp.js"
/* 带约束爬楼梯：动态规划 */
function climbingStairsConstraintDP(n) {
if (n === 1 || n === 2) {
return 1;
}
// 初始化 dp 表，用于存储子问题的解
const dp = Array.from(new Array(n + 1), () => new Array(3));
// 初始状态：预设最小子问题的解
dp[1][1] = 1;
dp[1][2] = 0;
dp[2][1] = 0;
dp[2][2] = 1;
// 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for (let i = 3; i <= n; i++) {
dp[i][1] = dp[i - 1][2];
dp[i][2] = dp[i - 2][1] + dp[i - 2][2];
}
return dp[n][1] + dp[n][2];
}
```
=== "TS"
```typescript title="climbing_stairs_constraint_dp.ts"
/* 带约束爬楼梯：动态规划 */
function climbingStairsConstraintDP(n: number): number {
if (n === 1 || n === 2) {
return 1;
}
// 初始化 dp 表，用于存储子问题的解
const dp = Array.from({ length: n + 1 }, () => new Array(3));
// 初始状态：预设最小子问题的解
dp[1][1] = 1;
dp[1][2] = 0;
dp[2][1] = 0;
dp[2][2] = 1;
// 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for (let i = 3; i <= n; i++) {
dp[i][1] = dp[i - 1][2];
dp[i][2] = dp[i - 2][1] + dp[i - 2][2];
}
return dp[n][1] + dp[n][2];
}
```
=== "Dart"
```dart title="climbing_stairs_constraint_dp.dart"
/* 带约束爬楼梯：动态规划 */
int climbingStairsConstraintDP(int n) {
if (n == 1 || n == 2) {
return 1;
}
// 初始化 dp 表，用于存储子问题的解
List<List<int>> dp = List.generate(n + 1, (index) => List.filled(3, 0));
// 初始状态：预设最小子问题的解
dp[1][1] = 1;
dp[1][2] = 0;
dp[2][1] = 0;
dp[2][2] = 1;
// 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for (int i = 3; i <= n; i++) {
dp[i][1] = dp[i - 1][2];
dp[i][2] = dp[i - 2][1] + dp[i - 2][2];
}
return dp[n][1] + dp[n][2];
}
```
=== "Rust"
```rust title="climbing_stairs_constraint_dp.rs"
/* 带约束爬楼梯：动态规划 */
fn climbing_stairs_constraint_dp(n: usize) -> i32 {
if n == 1 || n == 2 { return 1 };
// 初始化 dp 表，用于存储子问题的解
let mut dp = vec![vec![-1; 3]; n + 1];
// 初始状态：预设最小子问题的解
dp[1][1] = 1;
dp[1][2] = 0;
dp[2][1] = 0;
dp[2][2] = 1;
// 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for i in 3..=n {
dp[i][1] = dp[i - 1][2];
dp[i][2] = dp[i - 2][1] + dp[i - 2][2];
}
dp[n][1] + dp[n][2]
}
```
=== "C"
```c title="climbing_stairs_constraint_dp.c"
[class]{}-[func]{climbingStairsConstraintDP}
```
=== "Zig"
```zig title="climbing_stairs_constraint_dp.zig"
// 带约束爬楼梯：动态规划
fn climbingStairsConstraintDP(comptime n: usize) i32 {
if (n == 1 or n == 2) {
return 1;
}
// 初始化 dp 表，用于存储子问题的解
var dp = [_][3]i32{ [_]i32{ -1, -1, -1 } } ** (n + 1);
// 初始状态：预设最小子问题的解
dp[1][1] = 1;
dp[1][2] = 0;
dp[2][1] = 0;
dp[2][2] = 1;
// 状态转移：从较小子问题逐步求解较大子问题
for (3..n + 1) |i| {
dp[i][1] = dp[i - 1][2];
dp[i][2] = dp[i - 2][1] + dp[i - 2][2];
}
return dp[n][1] + dp[n][2];
}
```
在上面的案例中，由于仅需多考虑前面一个状态，我们仍然可以通过扩展状态定义，使得问题重新满足无后效性。然而，某些问题具有非常严重的“有后效性”。
!!! question "爬楼梯与障碍生成"
给定一个共有 $n$ 阶的楼梯，你每步可以上 $1$ 阶或者 $2$ 阶。**规定当爬到第 $i$ 阶时，系统自动会给第 $2i$ 阶上放上障碍物，之后所有轮都不允许跳到第 $2i$ 阶上**。例如，前两轮分别跳到了第 $2$、$3$ 阶上，则之后就不能跳到第 $4$、$6$ 阶上。请问有多少种方案可以爬到楼顶。
在这个问题中，下次跳跃依赖于过去所有的状态，因为每一次跳跃都会在更高的阶梯上设置障碍，并影响未来的跳跃。对于这类问题，动态规划往往难以解决。
实际上，许多复杂的组合优化问题（例如旅行商问题）都不满足无后效性。对于这类问题，我们通常会选择使用其他方法，例如启发式搜索、遗传算法、强化学习等，从而在有限时间内得到可用的局部最优解。

1392
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comments: true
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# 14.6 &nbsp; 编辑距离问题
编辑距离，也被称为 Levenshtein 距离，指两个字符串之间互相转换的最小修改次数，通常用于在信息检索和自然语言处理中度量两个序列的相似度。
!!! question
输入两个字符串 $s$ 和 $t$ ，返回将 $s$ 转换为 $t$ 所需的最少编辑步数。
你可以在一个字符串中进行三种编辑操作：插入一个字符、删除一个字符、替换字符为任意一个字符。
如图 14-27 所示，将 `kitten` 转换为 `sitting` 需要编辑 3 步，包括 2 次替换操作与 1 次添加操作；将 `hello` 转换为 `algo` 需要 3 步，包括 2 次替换操作和 1 次删除操作。
![编辑距离的示例数据](edit_distance_problem.assets/edit_distance_example.png)
<p align="center"> 图 14-27 &nbsp; 编辑距离的示例数据 </p>
**编辑距离问题可以很自然地用决策树模型来解释**。字符串对应树节点，一轮决策（一次编辑操作）对应树的一条边。
如图 14-28 所示，在不限制操作的情况下，每个节点都可以派生出许多条边，每条边对应一种操作，这意味着从 `hello` 转换到 `algo` 有许多种可能的路径。
从决策树的角度看，本题的目标是求解节点 `hello` 和节点 `algo` 之间的最短路径。
![基于决策树模型表示编辑距离问题](edit_distance_problem.assets/edit_distance_decision_tree.png)
<p align="center"> 图 14-28 &nbsp; 基于决策树模型表示编辑距离问题 </p>
### 1. &nbsp; 动态规划思路
**第一步：思考每轮的决策，定义状态，从而得到 $dp$ 表**
每一轮的决策是对字符串 $s$ 进行一次编辑操作。
我们希望在编辑操作的过程中，问题的规模逐渐缩小，这样才能构建子问题。设字符串 $s$ 和 $t$ 的长度分别为 $n$ 和 $m$ ，我们先考虑两字符串尾部的字符 $s[n-1]$ 和 $t[m-1]$ 。
- 若 $s[n-1]$ 和 $t[m-1]$ 相同，我们可以跳过它们，直接考虑 $s[n-2]$ 和 $t[m-2]$ 。
- 若 $s[n-1]$ 和 $t[m-1]$ 不同，我们需要对 $s$ 进行一次编辑（插入、删除、替换），使得两字符串尾部的字符相同，从而可以跳过它们，考虑规模更小的问题。
也就是说，我们在字符串 $s$ 中进行的每一轮决策（编辑操作），都会使得 $s$ 和 $t$ 中剩余的待匹配字符发生变化。因此，状态为当前在 $s$ 和 $t$ 中考虑的第 $i$ 和 $j$ 个字符，记为 $[i, j]$ 。
状态 $[i, j]$ 对应的子问题：**将 $s$ 的前 $i$ 个字符更改为 $t$ 的前 $j$ 个字符所需的最少编辑步数**。
至此，得到一个尺寸为 $(i+1) \times (j+1)$ 的二维 $dp$ 表。
**第二步：找出最优子结构，进而推导出状态转移方程**
考虑子问题 $dp[i, j]$ ，其对应的两个字符串的尾部字符为 $s[i-1]$ 和 $t[j-1]$ ，可根据不同编辑操作分为图 14-29 所示的三种情况。
1. 在 $s[i-1]$ 之后添加 $t[j-1]$ ，则剩余子问题 $dp[i, j-1]$ 。
2. 删除 $s[i-1]$ ，则剩余子问题 $dp[i-1, j]$ 。
3. 将 $s[i-1]$ 替换为 $t[j-1]$ ，则剩余子问题 $dp[i-1, j-1]$ 。
![编辑距离的状态转移](edit_distance_problem.assets/edit_distance_state_transfer.png)
<p align="center"> 图 14-29 &nbsp; 编辑距离的状态转移 </p>
根据以上分析，可得最优子结构：$dp[i, j]$ 的最少编辑步数等于 $dp[i, j-1]$、$dp[i-1, j]$、$dp[i-1, j-1]$ 三者中的最少编辑步数，再加上本次的编辑步数 $1$ 。对应的状态转移方程为：
$$
dp[i, j] = \min(dp[i, j-1], dp[i-1, j], dp[i-1, j-1]) + 1
$$
请注意，**当 $s[i-1]$ 和 $t[j-1]$ 相同时，无须编辑当前字符**，这种情况下的状态转移方程为：
$$
dp[i, j] = dp[i-1, j-1]
$$
**第三步：确定边界条件和状态转移顺序**
当两字符串都为空时，编辑步数为 $0$ ，即 $dp[0, 0] = 0$ 。当 $s$ 为空但 $t$ 不为空时，最少编辑步数等于 $t$ 的长度，即首行 $dp[0, j] = j$ 。当 $s$ 不为空但 $t$ 为空时，等于 $s$ 的长度，即首列 $dp[i, 0] = i$ 。
观察状态转移方程，解 $dp[i, j]$ 依赖左方、上方、左上方的解，因此通过两层循环正序遍历整个 $dp$ 表即可。
### 2. &nbsp; 代码实现
=== "Python"
```python title="edit_distance.py"
def edit_distance_dp(s: str, t: str) -> int:
"""编辑距离：动态规划"""
n, m = len(s), len(t)
dp = [[0] * (m + 1) for _ in range(n + 1)]
# 状态转移：首行首列
for i in range(1, n + 1):
dp[i][0] = i
for j in range(1, m + 1):
dp[0][j] = j
# 状态转移：其余行列
for i in range(1, n + 1):
for j in range(1, m + 1):
if s[i - 1] == t[j - 1]:
# 若两字符相等，则直接跳过此两字符
dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1]
else:
# 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[i][j] = min(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j], dp[i - 1][j - 1]) + 1
return dp[n][m]
```
=== "C++"
```cpp title="edit_distance.cpp"
/* 编辑距离：动态规划 */
int editDistanceDP(string s, string t) {
int n = s.length(), m = t.length();
vector<vector<int>> dp(n + 1, vector<int>(m + 1, 0));
// 状态转移：首行首列
for (int i = 1; i <= n; i++) {
dp[i][0] = i;
}
for (int j = 1; j <= m; j++) {
dp[0][j] = j;
}
// 状态转移：其余行列
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int j = 1; j <= m; j++) {
if (s[i - 1] == t[j - 1]) {
// 若两字符相等，则直接跳过此两字符
dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1];
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[i][j] = min(min(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j]), dp[i - 1][j - 1]) + 1;
}
}
}
return dp[n][m];
}
```
=== "Java"
```java title="edit_distance.java"
/* 编辑距离：动态规划 */
int editDistanceDP(String s, String t) {
int n = s.length(), m = t.length();
int[][] dp = new int[n + 1][m + 1];
// 状态转移：首行首列
for (int i = 1; i <= n; i++) {
dp[i][0] = i;
}
for (int j = 1; j <= m; j++) {
dp[0][j] = j;
}
// 状态转移：其余行列
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int j = 1; j <= m; j++) {
if (s.charAt(i - 1) == t.charAt(j - 1)) {
// 若两字符相等，则直接跳过此两字符
dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1];
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[i][j] = Math.min(Math.min(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j]), dp[i - 1][j - 1]) + 1;
}
}
}
return dp[n][m];
}
```
=== "C#"
```csharp title="edit_distance.cs"
/* 编辑距离：动态规划 */
int EditDistanceDP(string s, string t) {
int n = s.Length, m = t.Length;
int[,] dp = new int[n + 1, m + 1];
// 状态转移：首行首列
for (int i = 1; i <= n; i++) {
dp[i, 0] = i;
}
for (int j = 1; j <= m; j++) {
dp[0, j] = j;
}
// 状态转移：其余行列
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int j = 1; j <= m; j++) {
if (s[i - 1] == t[j - 1]) {
// 若两字符相等，则直接跳过此两字符
dp[i, j] = dp[i - 1, j - 1];
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[i, j] = Math.Min(Math.Min(dp[i, j - 1], dp[i - 1, j]), dp[i - 1, j - 1]) + 1;
}
}
}
return dp[n, m];
}
```
=== "Go"
```go title="edit_distance.go"
/* 编辑距离：动态规划 */
func editDistanceDP(s string, t string) int {
n := len(s)
m := len(t)
dp := make([][]int, n+1)
for i := 0; i <= n; i++ {
dp[i] = make([]int, m+1)
}
// 状态转移：首行首列
for i := 1; i <= n; i++ {
dp[i][0] = i
}
for j := 1; j <= m; j++ {
dp[0][j] = j
}
// 状态转移：其余行列
for i := 1; i <= n; i++ {
for j := 1; j <= m; j++ {
if s[i-1] == t[j-1] {
// 若两字符相等，则直接跳过此两字符
dp[i][j] = dp[i-1][j-1]
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[i][j] = MinInt(MinInt(dp[i][j-1], dp[i-1][j]), dp[i-1][j-1]) + 1
}
}
}
return dp[n][m]
}
```
=== "Swift"
```swift title="edit_distance.swift"
/* 编辑距离：动态规划 */
func editDistanceDP(s: String, t: String) -> Int {
let n = s.utf8CString.count
let m = t.utf8CString.count
var dp = Array(repeating: Array(repeating: 0, count: m + 1), count: n + 1)
// 状态转移：首行首列
for i in stride(from: 1, through: n, by: 1) {
dp[i][0] = i
}
for j in stride(from: 1, through: m, by: 1) {
dp[0][j] = j
}
// 状态转移：其余行列
for i in stride(from: 1, through: n, by: 1) {
for j in stride(from: 1, through: m, by: 1) {
if s.utf8CString[i - 1] == t.utf8CString[j - 1] {
// 若两字符相等，则直接跳过此两字符
dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1]
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[i][j] = min(min(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j]), dp[i - 1][j - 1]) + 1
}
}
}
return dp[n][m]
}
```
=== "JS"
```javascript title="edit_distance.js"
/* 编辑距离：动态规划 */
function editDistanceDP(s, t) {
const n = s.length,
m = t.length;
const dp = Array.from({ length: n + 1 }, () => new Array(m + 1).fill(0));
// 状态转移：首行首列
for (let i = 1; i <= n; i++) {
dp[i][0] = i;
}
for (let j = 1; j <= m; j++) {
dp[0][j] = j;
}
// 状态转移：其余行列
for (let i = 1; i <= n; i++) {
for (let j = 1; j <= m; j++) {
if (s.charAt(i - 1) === t.charAt(j - 1)) {
// 若两字符相等，则直接跳过此两字符
dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1];
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[i][j] =
Math.min(
Math.min(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j]),
dp[i - 1][j - 1]
) + 1;
}
}
}
return dp[n][m];
}
```
=== "TS"
```typescript title="edit_distance.ts"
/* 编辑距离：动态规划 */
function editDistanceDP(s: string, t: string): number {
const n = s.length,
m = t.length;
const dp = Array.from({ length: n + 1 }, () =>
Array.from({ length: m + 1 }, () => 0)
);
// 状态转移：首行首列
for (let i = 1; i <= n; i++) {
dp[i][0] = i;
}
for (let j = 1; j <= m; j++) {
dp[0][j] = j;
}
// 状态转移：其余行列
for (let i = 1; i <= n; i++) {
for (let j = 1; j <= m; j++) {
if (s.charAt(i - 1) === t.charAt(j - 1)) {
// 若两字符相等，则直接跳过此两字符
dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1];
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[i][j] =
Math.min(
Math.min(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j]),
dp[i - 1][j - 1]
) + 1;
}
}
}
return dp[n][m];
}
```
=== "Dart"
```dart title="edit_distance.dart"
/* 编辑距离：动态规划 */
int editDistanceDP(String s, String t) {
int n = s.length, m = t.length;
List<List<int>> dp = List.generate(n + 1, (_) => List.filled(m + 1, 0));
// 状态转移：首行首列
for (int i = 1; i <= n; i++) {
dp[i][0] = i;
}
for (int j = 1; j <= m; j++) {
dp[0][j] = j;
}
// 状态转移：其余行列
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int j = 1; j <= m; j++) {
if (s[i - 1] == t[j - 1]) {
// 若两字符相等，则直接跳过此两字符
dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1];
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[i][j] = min(min(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j]), dp[i - 1][j - 1]) + 1;
}
}
}
return dp[n][m];
}
```
=== "Rust"
```rust title="edit_distance.rs"
/* 编辑距离：动态规划 */
fn edit_distance_dp(s: &str, t: &str) -> i32 {
let (n, m) = (s.len(), t.len());
let mut dp = vec![vec![0; m + 1]; n + 1];
// 状态转移：首行首列
for i in 1..= n {
dp[i][0] = i as i32;
}
for j in 1..m {
dp[0][j] = j as i32;
}
// 状态转移：其余行列
for i in 1..=n {
for j in 1..=m {
if s.chars().nth(i - 1) == t.chars().nth(j - 1) {
// 若两字符相等，则直接跳过此两字符
dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1];
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[i][j] = std::cmp::min(std::cmp::min(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j]), dp[i - 1][j - 1]) + 1;
}
}
}
dp[n][m]
}
```
=== "C"
```c title="edit_distance.c"
[class]{}-[func]{editDistanceDP}
```
=== "Zig"
```zig title="edit_distance.zig"
// 编辑距离：动态规划
fn editDistanceDP(comptime s: []const u8, comptime t: []const u8) i32 {
comptime var n = s.len;
comptime var m = t.len;
var dp = [_][m + 1]i32{[_]i32{0} ** (m + 1)} ** (n + 1);
// 状态转移：首行首列
for (1..n + 1) |i| {
dp[i][0] = @intCast(i);
}
for (1..m + 1) |j| {
dp[0][j] = @intCast(j);
}
// 状态转移：其余行列
for (1..n + 1) |i| {
for (1..m + 1) |j| {
if (s[i - 1] == t[j - 1]) {
// 若两字符相等，则直接跳过此两字符
dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1];
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[i][j] = @min(@min(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j]), dp[i - 1][j - 1]) + 1;
}
}
}
return dp[n][m];
}
```
如图 14-30 所示，编辑距离问题的状态转移过程与背包问题非常类似，都可以看作是填写一个二维网格的过程。
=== "<1>"
![编辑距离的动态规划过程](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step1.png)
=== "<2>"
![edit_distance_dp_step2](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step2.png)
=== "<3>"
![edit_distance_dp_step3](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step3.png)
=== "<4>"
![edit_distance_dp_step4](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step4.png)
=== "<5>"
![edit_distance_dp_step5](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step5.png)
=== "<6>"
![edit_distance_dp_step6](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step6.png)
=== "<7>"
![edit_distance_dp_step7](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step7.png)
=== "<8>"
![edit_distance_dp_step8](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step8.png)
=== "<9>"
![edit_distance_dp_step9](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step9.png)
=== "<10>"
![edit_distance_dp_step10](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step10.png)
=== "<11>"
![edit_distance_dp_step11](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step11.png)
=== "<12>"
![edit_distance_dp_step12](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step12.png)
=== "<13>"
![edit_distance_dp_step13](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step13.png)
=== "<14>"
![edit_distance_dp_step14](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step14.png)
=== "<15>"
![edit_distance_dp_step15](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step15.png)
<p align="center"> 图 14-30 &nbsp; 编辑距离的动态规划过程 </p>
### 3. &nbsp; 空间优化
由于 $dp[i,j]$ 是由上方 $dp[i-1, j]$、左方 $dp[i, j-1]$、左上方状态 $dp[i-1, j-1]$ 转移而来，而正序遍历会丢失左上方 $dp[i-1, j-1]$ ，倒序遍历无法提前构建 $dp[i, j-1]$ ，因此两种遍历顺序都不可取。
为此，我们可以使用一个变量 `leftup` 来暂存左上方的解 $dp[i-1, j-1]$ ，从而只需考虑左方和上方的解。此时的情况与完全背包问题相同，可使用正序遍历。
=== "Python"
```python title="edit_distance.py"
def edit_distance_dp_comp(s: str, t: str) -> int:
"""编辑距离：空间优化后的动态规划"""
n, m = len(s), len(t)
dp = [0] * (m + 1)
# 状态转移：首行
for j in range(1, m + 1):
dp[j] = j
# 状态转移：其余行
for i in range(1, n + 1):
# 状态转移：首列
leftup = dp[0] # 暂存 dp[i-1, j-1]
dp[0] += 1
# 状态转移：其余列
for j in range(1, m + 1):
temp = dp[j]
if s[i - 1] == t[j - 1]:
# 若两字符相等，则直接跳过此两字符
dp[j] = leftup
else:
# 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[j] = min(dp[j - 1], dp[j], leftup) + 1
leftup = temp # 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
return dp[m]
```
=== "C++"
```cpp title="edit_distance.cpp"
/* 编辑距离：空间优化后的动态规划 */
int editDistanceDPComp(string s, string t) {
int n = s.length(), m = t.length();
vector<int> dp(m + 1, 0);
// 状态转移：首行
for (int j = 1; j <= m; j++) {
dp[j] = j;
}
// 状态转移：其余行
for (int i = 1; i <= n; i++) {
// 状态转移：首列
int leftup = dp[0]; // 暂存 dp[i-1, j-1]
dp[0] = i;
// 状态转移：其余列
for (int j = 1; j <= m; j++) {
int temp = dp[j];
if (s[i - 1] == t[j - 1]) {
// 若两字符相等，则直接跳过此两字符
dp[j] = leftup;
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[j] = min(min(dp[j - 1], dp[j]), leftup) + 1;
}
leftup = temp; // 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
}
}
return dp[m];
}
```
=== "Java"
```java title="edit_distance.java"
/* 编辑距离：空间优化后的动态规划 */
int editDistanceDPComp(String s, String t) {
int n = s.length(), m = t.length();
int[] dp = new int[m + 1];
// 状态转移：首行
for (int j = 1; j <= m; j++) {
dp[j] = j;
}
// 状态转移：其余行
for (int i = 1; i <= n; i++) {
// 状态转移：首列
int leftup = dp[0]; // 暂存 dp[i-1, j-1]
dp[0] = i;
// 状态转移：其余列
for (int j = 1; j <= m; j++) {
int temp = dp[j];
if (s.charAt(i - 1) == t.charAt(j - 1)) {
// 若两字符相等，则直接跳过此两字符
dp[j] = leftup;
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[j] = Math.min(Math.min(dp[j - 1], dp[j]), leftup) + 1;
}
leftup = temp; // 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
}
}
return dp[m];
}
```
=== "C#"
```csharp title="edit_distance.cs"
/* 编辑距离：空间优化后的动态规划 */
int EditDistanceDPComp(string s, string t) {
int n = s.Length, m = t.Length;
int[] dp = new int[m + 1];
// 状态转移：首行
for (int j = 1; j <= m; j++) {
dp[j] = j;
}
// 状态转移：其余行
for (int i = 1; i <= n; i++) {
// 状态转移：首列
int leftup = dp[0]; // 暂存 dp[i-1, j-1]
dp[0] = i;
// 状态转移：其余列
for (int j = 1; j <= m; j++) {
int temp = dp[j];
if (s[i - 1] == t[j - 1]) {
// 若两字符相等，则直接跳过此两字符
dp[j] = leftup;
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[j] = Math.Min(Math.Min(dp[j - 1], dp[j]), leftup) + 1;
}
leftup = temp; // 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
}
}
return dp[m];
}
```
=== "Go"
```go title="edit_distance.go"
/* 编辑距离：空间优化后的动态规划 */
func editDistanceDPComp(s string, t string) int {
n := len(s)
m := len(t)
dp := make([]int, m+1)
// 状态转移：首行
for j := 1; j <= m; j++ {
dp[j] = j
}
// 状态转移：其余行
for i := 1; i <= n; i++ {
// 状态转移：首列
leftUp := dp[0] // 暂存 dp[i-1, j-1]
dp[0] = i
// 状态转移：其余列
for j := 1; j <= m; j++ {
temp := dp[j]
if s[i-1] == t[j-1] {
// 若两字符相等，则直接跳过此两字符
dp[j] = leftUp
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[j] = MinInt(MinInt(dp[j-1], dp[j]), leftUp) + 1
}
leftUp = temp // 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
}
}
return dp[m]
}
```
=== "Swift"
```swift title="edit_distance.swift"
/* 编辑距离：空间优化后的动态规划 */
func editDistanceDPComp(s: String, t: String) -> Int {
let n = s.utf8CString.count
let m = t.utf8CString.count
var dp = Array(repeating: 0, count: m + 1)
// 状态转移：首行
for j in stride(from: 1, through: m, by: 1) {
dp[j] = j
}
// 状态转移：其余行
for i in stride(from: 1, through: n, by: 1) {
// 状态转移：首列
var leftup = dp[0] // 暂存 dp[i-1, j-1]
dp[0] = i
// 状态转移：其余列
for j in stride(from: 1, through: m, by: 1) {
let temp = dp[j]
if s.utf8CString[i - 1] == t.utf8CString[j - 1] {
// 若两字符相等，则直接跳过此两字符
dp[j] = leftup
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[j] = min(min(dp[j - 1], dp[j]), leftup) + 1
}
leftup = temp // 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
}
}
return dp[m]
}
```
=== "JS"
```javascript title="edit_distance.js"
/* 编辑距离：状态压缩后的动态规划 */
function editDistanceDPComp(s, t) {
const n = s.length,
m = t.length;
const dp = new Array(m + 1).fill(0);
// 状态转移：首行
for (let j = 1; j <= m; j++) {
dp[j] = j;
}
// 状态转移：其余行
for (let i = 1; i <= n; i++) {
// 状态转移：首列
let leftup = dp[0]; // 暂存 dp[i-1, j-1]
dp[0] = i;
// 状态转移：其余列
for (let j = 1; j <= m; j++) {
const temp = dp[j];
if (s.charAt(i - 1) === t.charAt(j - 1)) {
// 若两字符相等，则直接跳过此两字符
dp[j] = leftup;
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[j] = Math.min(Math.min(dp[j - 1], dp[j]), leftup) + 1;
}
leftup = temp; // 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
}
}
return dp[m];
}
```
=== "TS"
```typescript title="edit_distance.ts"
/* 编辑距离：状态压缩后的动态规划 */
function editDistanceDPComp(s: string, t: string): number {
const n = s.length,
m = t.length;
const dp = new Array(m + 1).fill(0);
// 状态转移：首行
for (let j = 1; j <= m; j++) {
dp[j] = j;
}
// 状态转移：其余行
for (let i = 1; i <= n; i++) {
// 状态转移：首列
let leftup = dp[0]; // 暂存 dp[i-1, j-1]
dp[0] = i;
// 状态转移：其余列
for (let j = 1; j <= m; j++) {
const temp = dp[j];
if (s.charAt(i - 1) === t.charAt(j - 1)) {
// 若两字符相等，则直接跳过此两字符
dp[j] = leftup;
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[j] = Math.min(Math.min(dp[j - 1], dp[j]), leftup) + 1;
}
leftup = temp; // 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
}
}
return dp[m];
}
```
=== "Dart"
```dart title="edit_distance.dart"
/* 编辑距离：空间优化后的动态规划 */
int editDistanceDPComp(String s, String t) {
int n = s.length, m = t.length;
List<int> dp = List.filled(m + 1, 0);
// 状态转移：首行
for (int j = 1; j <= m; j++) {
dp[j] = j;
}
// 状态转移：其余行
for (int i = 1; i <= n; i++) {
// 状态转移：首列
int leftup = dp[0]; // 暂存 dp[i-1, j-1]
dp[0] = i;
// 状态转移：其余列
for (int j = 1; j <= m; j++) {
int temp = dp[j];
if (s[i - 1] == t[j - 1]) {
// 若两字符相等，则直接跳过此两字符
dp[j] = leftup;
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[j] = min(min(dp[j - 1], dp[j]), leftup) + 1;
}
leftup = temp; // 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
}
}
return dp[m];
}
```
=== "Rust"
```rust title="edit_distance.rs"
/* 编辑距离：空间优化后的动态规划 */
fn edit_distance_dp_comp(s: &str, t: &str) -> i32 {
let (n, m) = (s.len(), t.len());
let mut dp = vec![0; m + 1];
// 状态转移：首行
for j in 1..m {
dp[j] = j as i32;
}
// 状态转移：其余行
for i in 1..=n {
// 状态转移：首列
let mut leftup = dp[0]; // 暂存 dp[i-1, j-1]
dp[0] = i as i32;
// 状态转移：其余列
for j in 1..=m {
let temp = dp[j];
if s.chars().nth(i - 1) == t.chars().nth(j - 1) {
// 若两字符相等，则直接跳过此两字符
dp[j] = leftup;
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[j] = std::cmp::min(std::cmp::min(dp[j - 1], dp[j]), leftup) + 1;
}
leftup = temp; // 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
}
}
dp[m]
}
```
=== "C"
```c title="edit_distance.c"
[class]{}-[func]{editDistanceDPComp}
```
=== "Zig"
```zig title="edit_distance.zig"
// 编辑距离：空间优化后的动态规划
fn editDistanceDPComp(comptime s: []const u8, comptime t: []const u8) i32 {
comptime var n = s.len;
comptime var m = t.len;
var dp = [_]i32{0} ** (m + 1);
// 状态转移：首行
for (1..m + 1) |j| {
dp[j] = @intCast(j);
}
// 状态转移：其余行
for (1..n + 1) |i| {
// 状态转移：首列
var leftup = dp[0]; // 暂存 dp[i-1, j-1]
dp[0] = @intCast(i);
// 状态转移：其余列
for (1..m + 1) |j| {
var temp = dp[j];
if (s[i - 1] == t[j - 1]) {
// 若两字符相等，则直接跳过此两字符
dp[j] = leftup;
} else {
// 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[j] = @min(@min(dp[j - 1], dp[j]), leftup) + 1;
}
leftup = temp; // 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
}
}
return dp[m];
}
```

28
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comments: true
icon: material/table-pivot
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# 第 14 章 &nbsp; 动态规划
<div class="center-table" markdown>
![动态规划](../assets/covers/chapter_dynamic_programming.jpg){ width="600" }
</div>
!!! abstract
小溪汇入河流，江河汇入大海。
动态规划将小问题的解汇集成大问题的答案，一步步引领我们走向解决问题的彼岸。
## 本章内容
- [14.1 &nbsp; 初探动态规划](https://www.hello-algo.com/chapter_dynamic_programming/intro_to_dynamic_programming/)
- [14.2 &nbsp; DP 问题特性](https://www.hello-algo.com/chapter_dynamic_programming/dp_problem_features/)
- [14.3 &nbsp; DP 解题思路](https://www.hello-algo.com/chapter_dynamic_programming/dp_solution_pipeline/)
- [14.4 &nbsp; 0-1 背包问题](https://www.hello-algo.com/chapter_dynamic_programming/knapsack_problem/)
- [14.5 &nbsp; 完全背包问题](https://www.hello-algo.com/chapter_dynamic_programming/unbounded_knapsack_problem/)
- [14.6 &nbsp; 编辑距离问题](https://www.hello-algo.com/chapter_dynamic_programming/edit_distance_problem/)
- [14.7 &nbsp; 小结](https://www.hello-algo.com/chapter_dynamic_programming/summary/)

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comments: true
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# 14.7 &nbsp; 小结
- 动态规划对问题进行分解，并通过存储子问题的解来规避重复计算，实现高效的计算效率。
- 不考虑时间的前提下，所有动态规划问题都可以用回溯（暴力搜索）进行求解，但递归树中存在大量的重叠子问题，效率极低。通过引入记忆化列表，可以存储所有计算过的子问题的解，从而保证重叠子问题只被计算一次。
- 记忆化递归是一种从顶至底的递归式解法，而与之对应的动态规划是一种从底至顶的递推式解法，其如同“填写表格”一样。由于当前状态仅依赖于某些局部状态，因此我们可以消除 $dp$ 表的一个维度，从而降低空间复杂度。
- 子问题分解是一种通用的算法思路，在分治、动态规划、回溯中具有不同的性质。
- 动态规划问题的三大特性：重叠子问题、最优子结构、无后效性。
- 如果原问题的最优解可以从子问题的最优解构建得来，则它就具有最优子结构。
- 无后效性指对于一个状态，其未来发展只与该状态有关，与其所经历的过去的所有状态无关。许多组合优化问题都不具有无后效性，无法使用动态规划快速求解。
**背包问题**
- 背包问题是最典型的动态规划题目，具有 0-1 背包、完全背包、多重背包等变种问题。
- 0-1 背包的状态定义为前 $i$ 个物品在剩余容量为 $c$ 的背包中的最大价值。根据不放入背包和放入背包两种决策，可得到最优子结构，并构建出状态转移方程。在空间优化中，由于每个状态依赖正上方和左上方的状态，因此需要倒序遍历列表，避免左上方状态被覆盖。
- 完全背包的每种物品的选取数量无限制，因此选择放入物品的状态转移与 0-1 背包不同。由于状态依赖于正上方和正左方的状态，因此在空间优化中应当正序遍历。
- 零钱兑换问题是完全背包的一个变种。它从求“最大”价值变为求“最小”硬币数量，因此状态转移方程中的 $\max()$ 应改为 $\min()$ 。从求“不超过”背包容量到求“恰好”凑出目标金额，因此使用 $amt + 1$ 来表示“无法凑出目标金额”的无效解。
- 零钱兑换 II 问题从求“最少硬币数量”改为求“硬币组合数量”，状态转移方程相应地从 $\min()$ 改为求和运算符。
**编辑距离问题**
- 编辑距离（Levenshtein 距离）用于衡量两个字符串之间的相似度，其定义为从一个字符串到另一个字符串的最小编辑步数，编辑操作包括添加、删除、替换。
- 编辑距离问题的状态定义为将 $s$ 的前 $i$ 个字符更改为 $t$ 的前 $j$ 个字符所需的最少编辑步数。当 $s[i] \ne t[j]$ 时，具有三种决策：添加、删除、替换，它们都有相应的剩余子问题。据此便可以找出最优子结构与构建状态转移方程。而当 $s[i] = t[j]$ 时，无须编辑当前字符。
- 在编辑距离中，状态依赖于其正上方、正左方、左上方的状态，因此空间优化后正序或倒序遍历都无法正确地进行状态转移。为此，我们利用一个变量暂存左上方状态，从而转化到与完全背包等价的情况，可以在空间优化后进行正序遍历。

2111
docs/chapter_dynamic_programming/unbounded_knapsack_problem.md Normal file
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