一只青蛙跳出来的分治法、回溯法与动态规划

我就是我 2022-01-28 00:59 198阅读 0赞

# [一只青蛙跳出来的分治法、回溯法与动态规划][Link 1] #

![647227-20181228162851284-1003920543.jpg][]

这三者是一个相互有交集的概念，并不是相互完全独立的。至于为什么不是完全独立的，在分别说说这三种方法的解决思路后，我们再终结一下。

## 分治法（Divide and Conquer） ##

分治法是解决规模庞大的问题的很好的思路，他通过降低问题的规模，形成若干个规模更小但形式相同的子问题，进行递归求解。在求解过后，将各个子问题的解合并起来，形成原问题的解。

那么它的大致流程主要分成三步：

*  分解（Divide）将大规模的问题分解成若干个规模更小但形式相同的子问题
 *  解决（Conquer）如果当前问题的规模足够小，并可以直接解决的话，那么直接解决并返回解。否则，继续进行分解并递归求解分解后的子问题。
 *  合并（Merge）将各个子问题合并，最终形成原问题的解。

所以，明确了三步之后，还要明确一件事件——实现方式：递归法。

分治法一般来说会采用递归法来进行实现，当然，利用迭代法（比如for、while）也是可以的。

所以，我们往往看到的递归算法从广义上来说都是分治法。无非就是有些递归算法将问题分解了若干个子问题，然而有些递归算法将问题分解成了一个子问题。那么有些作者会称作前者是分治法，后者是减治法。

其实，这个概念真的非常非常重要。在面对很多问题的时候，都可以用这种思路去思考。那么其中思考的一个非常重要的一点就是递归算法中的边界（跳出）条件的判定。

只要，我们想明白了求解子问题过程中的边界条件，那么问题就会很清晰，并且很容易地写出程序来。否则，模糊的边界条件，会导致整个递归算法进入到“死循环”的尴尬地步。

### 举个例子 ###

> 青蛙?跳台阶的问题：一只青蛙一次可以跳上1级台阶，也可以跳上2级。求该青蛙跳上一个n级的台阶总共有多少种跳法？

那么如果我们用分治法的思路思考的话，这道题真是非常非常容易理解。

首先，当青蛙在面对第一个台阶时，他只有两种选择——跳一步还是跳两步。如果我们定义f(n)代表青蛙跳跃到n层台阶一共的方法数，那么我们可以将问题进行**分解**两个规模更小，但形式相同的问题：

其中f(n - 1)是青蛙选择跳一步后，剩下的子问题，同理f(n - 2)是青蛙选择跳两步后剩下的子问题。这样，我们就把问题进行了分解。

下面再谈谈如何解决，正如上面谈到的解决步骤，如果规模足够小那么直接返回，否则继续降低规模进行递归求解。这时，就是我们要确定边界条件——即当n = 1 和n = 2时的情况。

在明确了边角条件后，合并就非常的简单，也就是简单的相加即可了。

那么代码写出来是什么样子呢？

![复制代码][copycode.gif]

#include <iostream>                                                                                                                
                                                                                                                                       
    using namespace std;                                                                                                               
                                                                                                                                       
    int f(int n) {                                                                                                                     
        // 边界条件（解决）                                                                                                            
        if (n < 1) return 0; // 当台阶数目小于1时，那么就返回0种方案数量                                                               
        if (n == 1) return 1; // 当台阶数目为1时，问题的规模已经足够小，我们可以直接想出他的方案数量—— 即1种：1步                      
        if (n == 2) return 2; // 当台阶数目为2时，他的方案数量为2种，即—— 1步+1步，2步                                                 
        return f(n - 1) + f(n - 2); // 分解并合并                                                                                      
    }                                                                                                                                  
                                                                                                                                       
    int main() {                                                                                                                       
        cout<<f(4)<<endl;                                                                                                              
        return 0;                                                                                                                      
    }

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## 回溯法（Backtracking） ##

回溯法，我理解应该也可以叫做深度优先搜索（Depth-First Search）。所以，他是一种搜索算法。

既然谈到搜索，往往这里面会面临选择的情景。以那个青蛙为例，当面对第一个台阶时，他有两个选择。当他选择一种选择后，将“义无反顾”的一条道走下去，每层都会进行一次选择，直到走到地n层位置时。这时，青蛙已经触碰到了边界，并得到了一种方案，之后青蛙会返回到最近的上一次选择时的情景，选择第二种情况继续走下去。以此往复，直到搜索全部的情景。

是的，这非常的抽象。我们来看看用二叉树来描述运动轨迹是怎么样的。我们假设n = 3。

**颜色**

*  蓝色 代表当前搜索路走过的路径节点
 *  白色 代表没有搜索走过的节点
 *  红色 代表已经搜索过的节点，不可以再走

**左右子树**

*  左子树 代表走一步
 *  右子树 代表走两步

**回溯**

如下图中红框标记的位置就是回溯到某一个情况。

如果你理解了下图的运动轨迹，我想差不多对于回溯的搜索过程就基本了解了。所以，你可以找到其他回溯点么？

![647227-20181228162605782-46136453.png][]

理解了上图的运动轨迹后，那么，代码是什么样子呢？

![复制代码][copycode.gif]

#include <iostream>                                                                                                                
                                                                                                                                       
    using namespace std;                                                                                                               
                                                                                                                                       
    /**                                                                                                                                
     * int count 方案总数                                                                                                              
     * int target 目标—— 剩余的台阶数                                                                                                  
     */                                                                                                                                
    void dfs(int& count, int target) {                                                                                                 
        // 边界条件                                                                                                                    
        if (target <= 2) {                                                                                                             
            count += target; // 当剩余一个台阶是即累加一种方案，剩余两个台阶时累加两种方案                                             
            return;                                                                                                                    
        }                                                                                                                              
                                                                                                                                       
        // 下面是两个基本点选择一步和选择两步                                                                                          
        // 选择一步                                                                                                                    
        dfs(count, target - 1);                                                                                                        
                                                                                                                                       
        // 选择两步                                                                                                                    
        dfs(count, target - 2);                                                                                                        
    }                                                                                                                                  
                                                                                                                                       
    int main() {                                                                                                                       
        int count = 0;                                                                                                                 
        dfs(count, 4);                                                                                                                 
        cout<<count<<endl;                                                                                                             
        return 0;                                                                                                                      
    }

![复制代码][copycode.gif]

**边界条件**

*  剩余一个台阶时，累加一种方案
 *  剩余两个台阶时，累加两种方案

**再说更重要的选择的两个基本点**

*  选择走一步
 *  选择走两步

以此进行递归搜索（深度优先搜索 DFS），在搜索到边界时进行回溯，以此往复直到搜索到所有情况为止。

## 动态规划（Dynamic Programming） ##

动态规划有两个重要的基本性质

**最优子结构**

如果一个问题的最优解包含了其中子问题的最优解，那么称其具有最优子结构的性质。

什么意思？青蛙在面对n个台阶时的解决方案数是f(n)，那么我们知道f(n) = f(n - 1) + f(n - 2)。其中的f(n - 1)与f(n - 2)就是两个子问题的最优解，此时我们可以理解成一个问题的最优解包含了其子问题的最优解，那么这个时候这种问题具有了最优子结构性质。

**重叠子问题**

这个性质，在我理解是对于上文提到的子问题的补充说明。当解决一个问题时，往往需要依赖于其更小规模的子问题的解，甚至是同时依赖于若干个规模更小的子问题的解，即子问题是被（重复）包含于比其更大的问题中的，所以他是具有重叠子问题的性质。

*在这里，多提出一句，这个子问题是在解决当前问题时需要依赖的。即，只有计算了子问题，父问题才可能被求解。这是和贪心算法的重要区别所在。*

**状态转移方程**

*  i代表当前问题的规模，即所需要跳过的台阶数。
 *  dp\[i\]代表的是跳过i个台阶的方案数量

其实，看到这里我们会发现，根据动态规划和分治法的思路，其解决方案大致是一样的，这一点从其递归关系式和状态转移方程可以看出来。这也是我在前文说到的，分治法与动态规划有交集的一种情况的具体体现。

那么，实现动态规划的方式一共有两种

*  递归法
 *  迭代法

其中递归法与分治法的解法是一样的，那么我们用迭代法来实现动态规划的思路。

![复制代码][copycode.gif]

#include <iostream>                                                                                                                
    #include <vector>                                                                                                                  
                                                                                                                                       
    using namespace std;                                                                                                               
                                                                                                                                       
                                                                                                                                       
    int main() {                                                                                                                       
        int n = 4;                                                                                                                     
        vector<int> dp(n + 1, 0);                                                                                                      
        dp[1] = 1;                                                                                                                     
        dp[2] = 2;                                                                                                                     
        for (int i = 3; i <= n; ++i) {                                                                                                 
            dp[i] = dp[i - 1] + dp[i - 2];                                                                                             
        }                                                                                                                              
        cout<<dp[n]<<endl;                                                                                                             
        return dp[n];                                                                                                                  
    }

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## 总结 ##

通过上面的分析，我们发现其相互相交的共性：

*  **递归** 动态规划、分治法与回溯法都可以使用递归的方式来实现
 *  **子问题** 分治法、回溯法与动态规划都利用了子问题的解进行决策

那么，就谈到这里面吧。在我理解，上面的三种方式都是面对问题的解决思考的思路，其实这个思路非常的重要。因为思路并不是针对某一个问题，而是某一类问题。在面对很多问题时，如果能够尝试用这几种思路去思考，也许会容易地、顺利地解决问题。

最后，留一个坑，你觉得对于寻求一个整型数组的全排列的问题，能否分别用上述的方式来解决呢？思考一下！

> 题目：给定无序整型数组nums = \[1,2,4,2,-2,10\]，寻找所有的排列情况。即An1，An2...Ann。

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