dp & dfs

dp是动态规划,dfs则是深度优先遍历。这两类问题经常遇到。我们集中看一下这些问题的特征、解决与分析技巧。

动态规划

动态规划的问题,一般是f(n)和f(n-1)或者f(n)f(x)|x<n有一定的联系。

例如最明显的斐波那契数列f(n)=f(n-1)+f(n-2)就是典型的动态规划。但是直接利用这个公式进行求解会有重复计算,例如求f(5)的过程中需要计算f(4) f(3),而f(4)需要计算f(3)f(2)这里f(3)就计算了两次。对于这种情况,DP一般会创建一个DP数组,数组大小可以是n,当然如果f(n)只和f(n-1)f(n-2)有关,则数组也可以设置大小为2。通过不断推进窗口来获得最后的结果,这里我们只说下更泛用性的dp数组大小为n的时候。

数组dp[n+1],dp[i]存储f(i)的结果,当f=0,1的时候很容易计算出结果。i>1时利用dp[i]=dp[i-1]+dp[i-2]即可求出。

我们来看几道题。

1 mxn矩阵,起点在左上角,只能向右或向下移动,求移动到右下角的路径有多少种。

这个题我们知道mxn的路径数,其实等于mx(n-1)的路径数+(m-1)xn的路径数。所以我们建立一个二维数组大小是mxn,分别用于存储f(m,n)的值,很容易就能得到结果了。利用dp[m][n]=dp[m-1][n]+dp[m][n-1]。(ps:和前面的类似,可以只申请一个一维数组,重复利用来降低空间复杂度)

function f(m,n){
    // 创建mxn的数组
    var a=[]
    for(var i=0;i<m;i++)
        a.push([])  
    // 初值赋值好     
    a[0][0]=1
    a[0][1]=1
    a[1][0]=1
    for(var i=0;i<m;i++){
        for(var j=0;j<n;j++){
            if(i==0||j==0){//边栏都是1
                a[i][j]=1;
            }else{
                a[i][j]=a[i-1][j]+a[i][j-1]
            }
        }
    }
    return a[m-1][n-1]
}

2 有1....n这n个数字构成一个二叉搜索树,一共有多少种可能

这个问题我们也很容易想到,如果是1作为根节点则就变成了左边0个元素,右边n-1个元素构成bst。如果是2作为根节点则是左1个,右边n-2... 如此以来便得到了递推公式f(n)=f(0)xf(n-1)+f(1)xf(n-2)...f(n-1)xf(0)这样我们可以建立一个n大小的数组分别存储结果f(1)..f(n)

function f(n){
    var a=[]
    a[0]=1
    a[1]=1
    for(var i=2;i<n+1;i++){
        a[i]=0 //js中要自己先赋值不然就nan了
        for(var j=0;j<n;j++){
            a[i]+=a[j]*a[n-1-j]
        }
    }
    return a[n]
}

3 求一个数组中所有子数组中和最大的,将和返回

从第头开始,上来和s,t=a[0]。然后i=1,t取a[1],s+a[1]中较大的,s取t,s中较大的,依次类推。这个题目不是上面那种的典型dp但是是有动态的思想的,即数组a中最大和s是a前n个组成的数组的最大和s1与a[n]有一定的关系,需要区分s1是不是包含a[n-1]的。解法code十分简单

function f(a){
    var s=a[0],t=a[0]
    for(var i=1;i<a.length();i++){
        t = Math.max(a[i],s+a[i])
        s = Math.max(s,t)
    }
    return s
}

4 字母码表A-1 B-2... Z-26,给定数字字符串s,返回可能构成的字符种类,如12可能是AB也可能是L,则返回2

这个问题有点类似,跳一步或两步的台阶问题。从尾部开始看,f(n)=f(n-1)+f(n-2)。但是这个题有个比台阶要麻烦点的就是有条件,例如第n个字符是0,则f(n-1)项就不能要了,然后是n-1和n组成的二位数大于26那f(n-2)项就不能要了。

function f(s){
    var a=[]
    var len = s.length
    if(len==0)return 0;
    // 先安顿好最后两个元素
    a[len-1]=s[len-1]=='0'?0:1;
    if(s[len-2]=='0'){
        a[len-2]=0;
    }else if(s[len-1]=='0'){
        a[len-2]=1;   
    }else if(s.substring(len-2,len)>'26'){
        a[len-2]=1;
    }else{
        a[len-2]=2;
    }
    // 然后向前遍历
    for(var i=len-3;i>=0;i--){
        if(s[i]=='0'){
            a[i]=0;
        }else if(s.substring(i,i+2)>'26'){
            a[i]=a[i+1]
        }else{
            a[i]=a[i+1]+a[i+2]
        }
    }
    return a[0]
}

5 给定字符串s1,s2,s3判断s3能否用s1,s2拼接而成,拼接时字符相对位置不能变,如abc和bcc可以拼接成abccbc。

这个问题本身是较难看出所谓的递归关系的,也可以有其他的解法但是dp的解法是最快的,思路是构建一个m+1 x n+1的数组

    b c c
  T F F F
a T T T T
b T F F T
c T F F T

然后对s3和s1,s2比较,比较方式为左为T则和上方比较看是否一致,上为T这左侧比较是否一致。最终是为了找到一个横竖坐标只能加(向右向下)的路径能从左上到右下。

function f(s1,s2,s3){
    //构造数组a
    var a= []
    for(var i=0;i<s1.length+1;i++)
        a.push([])

    for(int i=0;i<s1.length+1;i++){
        for(int j=0;j<s2.length+1;j++){
            if(i==0&&j==0)a[i][j]=true;
            else if(i==0){
                a[i][j]=a[i][j-1]&&s2[j-1]==s3[i+j-1]
            }else if(j==0){
                a[i][j]=a[i-1][j]&&s1[i-1]==s3[i+j-1]
            }else{
                a[i][j]=(a[i][j-1]&&s2[j-1]==s3[i+j-1] )||( a[i][j]=a[i-1][j]&&s1[i-1]==s3[i+j-1])
            }
        }
    }
    return a[s1.length(),s2.length()]
}

深度优先遍历

dsp本身是指二叉树的遍历方式的一种,即按照当前节点的前后中位置的三种遍历方式。但是dsp也常用于解决一些列出各种可能性的情况,尤其是需要选择和回退选的情况。

例如排列组合问题,给n个值,求出所有排列可能性,求出所有组合的可能性。这就是非常经典的dsp。一般的思路是,先用一个数组记录每个元素的个数。然后为第一个位置选择元素,有n种选择,然后每种里面需要为第二个位置选择元素,此时有n-1种选择,因为记录元素个数的那个里面第一个元素对应的个数少了1。依次类推就有n!个排列方式。

function f(arr){
    var count={}
    for(var i=0;i<arr.length;i++){
        count[arr[i]]=count[arr[i]]?count[arr[i]]+1:1
    }
    var len =arr.length;
    // 记录数组中所有元素 用两个数组 一个记录元素,一个记录个数
    var ele = Object.keys(count)
    var cos = Object.values(count)
    var res=[]
    console.log(ele,cos,res)
    dfs([],res,ele,cos,0,len)
    return res
}
function dfs(list,res,ele,cos,index,len){
    if(index==len){
        res.push(Object.assign([],list))//注意深拷贝
    }else{
        for(var i=0;i<ele.length;i++){
            if(cos[i]>0){
                list.push(ele[i])
                cos[i]--;
                dfs(list,res,ele,cos,index+1,len)
                list.pop();
                cos[i]++;
            }   
        }
    }
}

上面的代码是非常经典的dfs式子,我们注意dfs函数的形式三点,1 截止条件,当满足最后一级的时候就可以收网了。2 循环,每个元素都可以作为候选,如果重复利用就是n的n次方循环。 3 条件筛选,并不是所有元素都可以使用,用过的元素就不能再用了,所以有cos[i]>0条件框定。(ps:重复元素,一个被用了之后,当前位置可以用另一个,不算重用)我们还应关注下参数,其实dfs函数的参数大多数都是不变的,可以用全局变量代替,而必要的参数只有两个,一个是list一个是level或叫index。

我们再来看组合的dfs,组合和排列不同的在于

1 组合不需要选出所有元素,可能是k个(k小于总个数)所以代码的截止条件换为index==len中参数len换成k。

2 不同顺序的排列是同一种组合如1,2和2,1是同一种,所以可以按照从小到大的顺序筛选,即index是i的数字,一定大于i-1。所以代码的筛选条件添加一条if(list.length>0&&ele[i]<list[list.length-1])continue;

除了二叉树的遍历、排列和组合这两类,还有很多问题也需要用到dfs进行求解。我们继续来看几道题

1 IP地址的点号去掉后的字符串,有多少种IP的可能,如25525511135有两种255.255.11.135以及255.255.111.35

这个题非常有意思,他和DP中的码表题很像,但是却有不同。而这个不同就是区分用dfs还是dp的核心:是否要回退。啥意思呢,就是dp中如果把5,35或者135作为最后一位都是可以的不需要回退,而dfs的题目中5这个值在后续验证中是不能使用的因而需要回退,去掉这个假设(可能)。

dfs很多时候是抽象成多叉树的模型,这里也是IP有4个表示,决定了数有4层,第一层有2,25,255三种依次类推。


function f(s){
    var res =[];
    dfs(res,[],s,0,0)
    return res;
}
function dfs(res,list,s,i,level){
    // 如果凑够了4个数,并且刚好在最后一位
    if(level==4 && i==s.length){
        res.push(Object.assign([],list))
    }else if(level==4||s==s.length){
        return;  
    }else{
        for(var j=1;j<=3;j++){
            // 255以内 两位数则第一位不能为0 就可以作为候选
            if(j>1 && s[i]=='0'){
                continue;
            }
            if(parseInt(s.substring(i,i+j))<=parseInt('255')){
                list.push(s.substring(i,i+j));
                dfs(res,list,s,i+j,level+1);
                list.pop();
            }
        }
    }
}

2 一个字符构成的矩阵(二维数组)中,寻找是否含有单词,只有相邻(上下左右)才能连接

board =
[
  ['A','B','C','E'],
  ['S','F','C','S'],
  ['A','D','E','E']
]

Given word = "ABCCED", return true.
Given word = "SEE", return true.
Given word = "ABCB", return false.

这个题跟前面dp中的融合字符串有点像,也用到了矩阵,但是实际上不一样,dp中的矩阵一般只朝着右下方向走。这里实际上也是有选择和进退的。例如ABCCED字符串,第0个字符A可以在矩阵所有16个元素中进行选择,只不过筛选条件是==A过滤剩下只有俩了,然后B只能在A的上下左右四个位置,所以有2x4=8个选项,每个分别验证是否是B,就只剩一组了,然后需要继续验证。(slot & choice是dfs一个特征。)哦对我们似乎还需要注意一点:用过的字符不能重复使用,所以还需要一个mxn的boolean数组,记录元素是否已经使用。