feat: Revised the book (#978)

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Yudong Jin
2023-12-02 06:21:34 +08:00
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@@ -7,7 +7,7 @@
## 问题判断
总的来说,如果一个问题包含重叠子问题、最优子结构,并满足无后效性,那么它通常适合用动态规划求解。然而,我们很难从问题描述直接提取出这些特性。因此我们通常会放宽条件,**先观察问题是否适合使用回溯(穷举)解决**。
总的来说,如果一个问题包含重叠子问题、最优子结构,并满足无后效性,那么它通常适合用动态规划求解。然而,我们很难从问题描述直接提取出这些特性。因此我们通常会放宽条件,**先观察问题是否适合使用回溯(穷举)解决**。
**适合用回溯解决的问题通常满足“决策树模型”**,这种问题可以使用树形结构来描述,其中每一个节点代表一个决策,每一条路径代表一个决策序列。
@@ -41,7 +41,7 @@
**第一步:思考每轮的决策,定义状态,从而得到 $dp$ 表**
本题的每一轮的决策就是从当前格子向下或向右一步。设当前格子的行列索引为 $[i, j]$ ,则向下或向右走一步后,索引变为 $[i+1, j]$ 或 $[i, j+1]$ 。因此,状态应包含行索引和列索引两个变量,记为 $[i, j]$ 。
本题的每一轮的决策就是从当前格子向下或向右一步。设当前格子的行列索引为 $[i, j]$ ,则向下或向右走一步后,索引变为 $[i+1, j]$ 或 $[i, j+1]$ 。因此,状态应包含行索引和列索引两个变量,记为 $[i, j]$ 。
状态 $[i, j]$ 对应的子问题为:从起始点 $[0, 0]$ 走到 $[i, j]$ 的最小路径和,解记为 $dp[i, j]$ 。
@@ -51,13 +51,13 @@
!!! note
动态规划和回溯过程可以描述为一个决策序列,而状态由所有决策变量构成。它应当包含描述解题进度的所有变量,其包含了足够的信息,能够用来推导出下一个状态。
动态规划和回溯过程可以描述为一个决策序列,而状态由所有决策变量构成。它应当包含描述解题进度的所有变量,其包含了足够的信息,能够用来推导出下一个状态。
每个状态都对应一个子问题,我们会定义一个 $dp$ 表来存储所有子问题的解,状态的每个独立变量都是 $dp$ 表的一个维度。本质上看,$dp$ 表是状态和子问题的解之间的映射。
每个状态都对应一个子问题,我们会定义一个 $dp$ 表来存储所有子问题的解,状态的每个独立变量都是 $dp$ 表的一个维度。本质上看,$dp$ 表是状态和子问题的解之间的映射。
**第二步:找出最优子结构,进而推导出状态转移方程**
对于状态 $[i, j]$ ,它只能从上边格子 $[i-1, j]$ 和左边格子 $[i, j-1]$ 转移而来。因此最优子结构为:到达 $[i, j]$ 的最小路径和由 $[i, j-1]$ 的最小路径和与 $[i-1, j]$ 的最小路径和,这两者较小的那一个决定。
对于状态 $[i, j]$ ,它只能从上边格子 $[i-1, j]$ 和左边格子 $[i, j-1]$ 转移而来。因此最优子结构为:到达 $[i, j]$ 的最小路径和由 $[i, j-1]$ 的最小路径和与 $[i-1, j]$ 的最小路径和较小的那一个决定。
根据以上分析,可推出下图所示的状态转移方程:
@@ -75,9 +75,9 @@ $$
**第三步:确定边界条件和状态转移顺序**
在本题中,首行的状态只能从其左边的状态得来,首列的状态只能从其上边的状态得来,因此首行 $i = 0$ 和首列 $j = 0$ 是边界条件。
在本题中,处在首行的状态只能从其左边的状态得来,处在首列的状态只能从其上边的状态得来,因此首行 $i = 0$ 和首列 $j = 0$ 是边界条件。
如下图所示,由于每个格子是由其左方格子和上方格子转移而来,因此我们使用采用循环来遍历矩阵,外循环遍历各行内循环遍历各列。
如下图所示,由于每个格子是由其左方格子和上方格子转移而来,因此我们使用循环来遍历矩阵,外循环遍历各行内循环遍历各列。
![边界条件与状态转移顺序](dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_solution_step3.png)
@@ -98,21 +98,23 @@ $$
- **终止条件**:当 $i = 0$ 且 $j = 0$ 时,返回代价 $grid[0, 0]$ 。
- **剪枝**:当 $i < 0$ 时或 $j < 0$ 时索引越界,此时返回代价 $+\infty$ ,代表不可行。
实现代码如下:
```src
[file]{min_path_sum}-[class]{}-[func]{min_path_sum_dfs}
```
下图给出了以 $dp[2, 1]$ 为根节点的递归树,其中包含一些重叠子问题,其数量会随着网格 `grid` 的尺寸变大而急剧增多。
本质上看,造成重叠子问题的原因为:**存在多条路径可以从左上角到达某一单元格**。
本质上看,造成重叠子问题的原因为:**存在多条路径可以从左上角到达某一单元格**。
![暴力搜索递归树](dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_dfs.png)
每个状态都有向下和向右两种选择,从左上角走到右下角总共需要 $m + n - 2$ 步,所以最差时间复杂度为 $O(2^{m + n})$ 。请注意,这种计算方式未考虑临近网格边界的情况,当到达网络边界时只剩下一种选择因此实际的路径数量会少一些。
每个状态都有向下和向右两种选择,从左上角走到右下角总共需要 $m + n - 2$ 步,所以最差时间复杂度为 $O(2^{m + n})$ 。请注意,这种计算方式未考虑临近网格边界的情况,当到达网络边界时只剩下一种选择因此实际的路径数量会少一些。
### 方法二:记忆化搜索
我们引入一个和网格 `grid` 相同尺寸的记忆列表 `mem` ,用于记录各个子问题的解,并将重叠子问题进行剪枝
我们引入一个和网格 `grid` 相同尺寸的记忆列表 `mem` ,用于记录各个子问题的解,并将重叠子问题进行剪枝
```src
[file]{min_path_sum}-[class]{}-[func]{min_path_sum_dfs_mem}
@@ -124,7 +126,7 @@ $$
### 方法三:动态规划
基于迭代实现动态规划解法
基于迭代实现动态规划解法,代码如下所示:
```src
[file]{min_path_sum}-[class]{}-[func]{min_path_sum_dp}
@@ -174,7 +176,7 @@ $$
由于每个格子只与其左边和上边的格子有关,因此我们可以只用一个单行数组来实现 $dp$ 表。
请注意,因为数组 `dp` 只能表示一行的状态,所以我们无法提前初始化首列状态,而是在遍历每行更新它
请注意,因为数组 `dp` 只能表示一行的状态,所以我们无法提前初始化首列状态,而是在遍历每行更新它
```src
[file]{min_path_sum}-[class]{}-[func]{min_path_sum_dp_comp}