动态规划是什么？经典算法详解

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动态规划是一种解决具有重叠子问题和最优子结构问题的思维模式，通过定义状态和状态转移方程，将指数级复杂度问题优化至多项式时间，其核心在于记忆化子问题解以避免重复计算，实现方式包括自顶向下的记忆化搜索和自底向上的迭代填表，二者本质相同但策略不同，前者更直观后者更高效；常见误区有状态定义模糊、转移方程错误、边界处理不当、遍历顺序错误及空间优化不合理；动态规划与分治法的区别在于处理重叠子问题，分治适用于独立子问题而DP通过存储解提升效率，与贪心算法相比，贪心每步做局部最优选择但不保证全局最优，而DP通过系统性枚举和状态转移确保全局最优；经典问题如斐波那契数列体现基础DP思想，零钱兑换展示最小化目标的状态转移设计，最长公共子序列则呈现二维状态定义与匹配决策的处理方式，三者共同强调清晰的状态定义、正确的转移逻辑和严谨的边界初始化是成功应用动态规划的关键。

动态规划，在我看来，它更像是一种解决问题的思维模式，而不是某个具体的算法。它处理的核心问题，是那些可以被拆解成相互重叠的子问题，并且这些子问题的最优解能够帮助我们构建出原问题的最优解。简单来说，就是把一个大难题切成一堆小难题，然后记住这些小难题的答案，下次遇到相同的就直接用，省得重新算一遍。这听起来有点像“聪明人的偷懒”，但效率提升是实实在在的。

动态规划的魅力在于，它能将原本指数级的暴力搜索问题，通过巧妙的状态定义和转移，降维到多项式时间复杂度。我最初接触DP时，总觉得它像个黑箱，但当你真正理解了“重叠子问题”和“最优子结构”这两个核心概念，并尝试去定义“状态”和“状态转移方程”时，那种豁然开朗的感觉，就像突然找到了通往迷宫出口的地图。

动态规划的实现策略与常见误区

在实践中，动态规划通常有两种主要的实现策略，它们各有优劣，选择哪一种往往取决于问题的特性和个人的习惯。

自顶向下 (Top-down) / 记忆化搜索 (Memoization) 这种方式更贴近我们人类解决问题的直觉：从大问题开始，递归地分解成子问题，并在计算每个子问题时，将结果存储起来。如果后续再次遇到相同的子问题，就直接返回已存储的结果，避免重复计算。 我个人在思考复杂DP问题时，通常会先从递归加记忆化的角度入手，因为它更符合函数调用的自然逻辑。比如，dp(n) 依赖于 dp(n-1) 和 dp(n-2)，这种表达方式非常直接。它的优点是只计算真正需要的状态，对于稀疏的DP表可能更高效。但缺点也很明显，递归深度过大时有栈溢出的风险，而且函数调用的开销也存在。

自底向上 (Bottom-up) / 迭代 (Tabulation) 这种策略则是从最简单的子问题开始，逐步推导出更复杂的子问题，直到最终解决原问题。它通常通过填充一张DP表（数组）来完成。 这种方式在工程实践中更为常见，因为它避免了递归带来的开销和栈溢出问题，执行效率通常更高。我发现，一旦我用记忆化搜索理清了状态转移逻辑，我就会尝试将其转换为迭代版本，这能让我对问题的依赖关系有更深刻的理解。比如，计算 dp[i] 时，我必须确保 dp[i-1] 等依赖项已经计算完毕。这要求我们对遍历顺序有清晰的规划。

常见的实现误区，我可太有发言权了：

1. 状态定义不清晰：这绝对是DP的“第一杀手”。dp[i] 到底代表什么？是前 i 个元素的最大值？还是以第 i 个元素结尾的最大值？一个模糊的状态定义，会导致后续所有推导都偏离轨道。我常常因为这个点，对着代码发呆好久，直到重新画图、重新思考状态的含义。
2. 状态转移方程错误：这是DP的“心脏”。如何从已知的小问题推导出大问题的解？是加法、乘法、取最大值、还是取最小值？一个微小的逻辑错误，结果就会天差地别。有时候，仅仅是一个边界条件的疏忽，就能让整个DP表错得离谱。
3. 边界条件处理不当：DP表的初始化和最基础的状态（比如 dp[0] 或 dp[0][0]）是整个推导的基石。如果基石不稳，上层建筑自然也摇摇欲坠。我遇到过不少问题，仅仅是把 dp[0] 初始化为0还是1，结果就完全不同。
4. 遍历顺序不对：尤其在自底向上时，如果 dp[i] 的计算依赖于 dp[i+1]，但你却从 i=0 开始正向遍历，那结果肯定是错的。确保在计算当前状态时，所有依赖的子状态都已计算完毕，这是迭代DP的关键。
5. 空间优化过度或不足：很多DP问题，特别是那些只依赖于前一两行的状态，是可以进行空间优化的。比如，将 O(N^2) 的空间复杂度降到 O(N) 甚至 O(1)。但有时为了追求极致优化，反而让代码变得难以理解和维护，甚至引入新的bug。反之，有些问题明明可以优化空间，却因为懒惰或未察觉，浪费了内存。

动态规划与分治、贪心算法有何不同？

动态规划、分治和贪心算法，它们都是解决优化问题的利器，但核心思想和适用场景却截然不同。我常常把它们比作厨师手里的不同刀具，各有各的用处。

分治 (Divide and Conquer) 分治的核心思想是“分而治之”。它将一个大问题分解成若干个相互独立的、相同类型的子问题，然后递归地解决这些子问题，最后将子问题的解合并起来，形成原问题的解。 典型的例子是归并排序和快速排序。它们将数组分成两半，分别排序，然后合并。这里的关键在于，子问题之间是相互独立的，解决一个子问题不会影响另一个子问题。 在我看来，分治算法的优雅之处在于其清晰的递归结构，但它不处理子问题重叠的情况。如果子问题有重叠，分治会重复计算，效率低下。

贪心算法 (Greedy Algorithm) 贪心算法则是一种“目光短浅”的策略。它在每一步都做出当前看起来最优的选择，希望通过一系列局部最优的选择，最终达到全局最优解。 比如，在零钱兑换问题中，如果每次都选择面值最大的硬币，这可能是一个贪心策略。但这个策略并不总是正确的，比如面值有1、3、4，要凑6，贪心会选4+1+1 (3枚)，但最优解是3+3 (2枚)。 贪心算法的优点是简单、高效，通常一次遍历就能得到结果。但它的局限性在于，只有当问题具有“贪心选择性质”和“最优子结构”时，贪心算法才能保证得到全局最优解。判断一个问题是否适合用贪心，往往需要严谨的数学证明，或者大量的经验积累。我个人在面对一个新问题时，会先尝试用贪心思路去想，如果发现反例，就立马转向DP或其他方法。

动态规划 (Dynamic Programming) 前面已经提过，DP的核心是“重叠子问题”和“最优子结构”。它与分治最大的区别在于，DP处理的子问题是相互重叠的。它通过存储子问题的解来避免重复计算。与贪心算法的区别在于，DP不只是做局部最优选择，而是考虑所有可能的子问题解，通过状态转移方程，从已知的子问题最优解中推导出当前问题的最优解，从而保证全局最优。 DP更像是一种“深思熟虑”的策略，它不像贪心那样“一步到位”，而是通过一步步的推导和记录，最终找到最优路径。当一个问题，贪心搞不定，分治又因为子问题重叠而效率低下时，动态规划往往就是那个正确的答案。

经典动态规划问题解析

掌握了动态规划的理论，接下来就是实战了。通过一些经典问题，我们可以更好地理解DP的应用。

1. 斐波那契数列 (Fibonacci Sequence) 这是最简单的DP入门案例，但它完美地展示了“重叠子问题”和“最优子结构”。

• 问题: 计算第n个斐波那契数，F(n) = F(n-1) + F(n-2)，其中 F(0)=0, F(1)=1。
• 状态定义: dp[i] 表示第 i 个斐波那契数。
• 状态转移方程: dp[i] = dp[i-1] + dp[i-2]
• 边界条件: dp[0] = 0, dp[1] = 1

  // 伪代码
  dp = array of size (n+1)
  dp[0] = 0
  dp[1] = 1
  for i from 2 to n:
    dp[i] = dp[i-1] + dp[i-2]
  return dp[n]

  这个例子很直观，你会发现 F(5) 需要 F(4) 和 F(3)，而 F(4) 又需要 F(3) 和 F(2)，F(3) 被重复计算了。DP就是把 F(3) 的结果存起来，下次直接用。

2. 零钱兑换 (Coin Change) 这是一个非常经典的完全背包问题变种，目标是找到凑成给定金额所需的最少硬币数量。

• 问题: 给定不同面额的硬币 coins 和一个总金额 amount，计算可以凑成总金额所需的最少硬币个数。如果凑不出来，返回 -1。
• 状态定义: dp[i] 表示凑成金额 i 所需的最少硬币数量。
• 状态转移方程: dp[i] = min(dp[i], dp[i - coin] + 1)，其中 coin 是 coins 数组中的一个面额。我们需要遍历所有可能的硬币面额，并选择能使 dp[i] 最小的那个。
• 边界条件: dp[0] = 0 (凑成0元需要0枚硬币)，其余 dp[i] 初始化为无穷大（表示不可达）。

  // 伪代码
  dp = array of size (amount + 1), initialized with infinity
  dp[0] = 0
  for i from 1 to amount:
    for each coin in coins:
        if i - coin >= 0:
            dp[i] = min(dp[i], dp[i - coin] + 1)
  return dp[amount] if dp[amount] is not infinity else -1

  这个问题的难点在于，我们需要确保在计算 dp[i] 时，所有小于 i 的金额的最优解都已经被正确计算，并且要考虑所有可能的硬币组合。

3. 最长公共子序列 (Longest Common Subsequence - LCS) 这是一个二维DP的典型代表，用于寻找两个序列中最长的公共子序列。

• 问题: 给定两个字符串 text1 和 text2，返回这两个字符串的最长公共子序列的长度。
• 状态定义: dp[i][j] 表示 text1 的前 i 个字符和 text2 的前 j 个字符的最长公共子序列的长度。
• 状态转移方程:
  • 如果 text1[i-1] == text2[j-1] (当前字符匹配): dp[i][j] = dp[i-1][j-1] + 1
  • 如果 text1[i-1] != text2[j-1] (当前字符不匹配): dp[i][j] = max(dp[i-1][j], dp[i][j-1]) (取不包含当前字符的两种情况的最大值)
• 边界条件: dp[0][j] = 0, dp[i][0] = 0 (空字符串与任何字符串的LCS都是0)。

  // 伪代码
  dp = 2D array of size (len(text1)+1) x (len(text2)+1), initialized with 0
  for i from 1 to len(text1):
    for j from 1 to len(text2):
        if text1[i-1] == text2[j-1]:
            dp[i][j] = dp[i-1][j-1] + 1
        else:
            dp[i][j] = max(dp[i-1][j], dp[i][j-1])
  return dp[len(text1)][len(text2)]

  LCS问题让我第一次体会到二维DP的强大。它将两个序列的比较问题，巧妙地转化成了填表问题，每一步的决策都基于之前的最优子解。

这些经典问题，只是动态规划冰山一角。但它们的核心思想都是一致的：识别重叠子问题和最优子结构，定义清晰的状态，推导出正确的状态转移方程，并处理好边界条件。一旦你掌握了这些，DP的大门就为你敞开了。

本篇关于《动态规划是什么？经典算法详解》的介绍就到此结束啦，但是学无止境，想要了解学习更多关于文章的相关知识，请关注golang学习网公众号！