图解最长公共子序列---动态规划

### 最长公共子序列(LCS)问题的动态规划实现 最长公共子序列(Longest Common Subsequence, LCS)问题是经典的动态规划问题之一。通过构建状态转移方程,可以高效地求解两个字符串的最长公共子序列[^1]。 以下是使用C语言实现动态规划解决LCS问题的示例代码及详细讲解: #### 动态规划表定义 设两个字符串分别为 `X[0...m-1]` 和 `Y[0...n-1]`,其中 `m` 和 `n` 分别是字符串 `X` 和 `Y` 的长度。定义二维数组 `dp[i][j]` 表示字符串 `X[0...i-1]` 和 `Y[0...j-1]` 的最长公共子序列的长度。 #### 状态转移方程 状态转移方程如下: - 如果 `X[i-1] == Y[j-1]`,则 `dp[i][j] = dp[i-1][j-1] + 1` - 否则,`dp[i][j] = max(dp[i-1][j], dp[i][j-1])` 边界条件为: - 当 `i == 0` 或 `j == 0` 时,`dp[i][j] = 0` #### 构建最长公共子序列 在完成动态规划表后,可以通过回溯的方法从 `dp[m][n]` 出发,逐步找到最长公共子序列的具体内容。 #### 示例代码 以下是一个完整的C语言实现: ```c #include <stdio.h> #include <string.h> // 打印最长公共子序列 void printLCS(char X[], int m, int n, int dp[][100]) { if (m == 0 || n == 0) return; if (X[m - 1] == Y[n - 1]) { printLCS(X, m - 1, n - 1, dp); printf("%c", X[m - 1]); } else if (dp[m - 1][n] > dp[m][n - 1]) { printLCS(X, m - 1, n, dp); } else { printLCS(X, m, n - 1, dp); } } int lcs(char X[], char Y[], int m, int n) { int dp[100][100]; // 假设字符串长度不超过100 for (int i = 0; i <= m; i++) { for (int j = 0; j <= n; j++) { if (i == 0 || j == 0) dp[i][j] = 0; else if (X[i - 1] == Y[j - 1]) dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1] + 1; else dp[i][j] = (dp[i - 1][j] > dp[i][j - 1]) ? dp[i - 1][j] : dp[i][j - 1]; } } // 打印LCS printf("The Longest Common Subsequence is: "); printLCS(X, m, n, dp); printf("\n"); return dp[m][n]; } int main() { char X[] = "AGGTAB"; char Y[] = "GXTXAYB"; int m = strlen(X); int n = strlen(Y); printf("Length of LCS is %d\n", lcs(X, Y, m, n)); return 0; } ``` #### 代码解析 1. **初始化动态规划表**:创建一个二维数组 `dp`,用于存储子问题的解。 2. **填充动态规划表**:根据状态转移方程填充 `dp` 表。 3. **回溯路径**:通过递归函数 `printLCS` 回溯路径,打印出具体的最长公共子序列。 4. **复杂度分析**: - 时间复杂度:O(m * n),其中 `m` 和 `n` 分别是两个字符串的长度。 - 空间复杂度:O(m * n),可以通过优化将空间复杂度降低到 O(min(m, n))[^3]。 #### 图解分析 假设输入字符串为 `X = "AGGTAB"` 和 `Y = "GXTXAYB"`,动态规划表的构造过程如下: | | | G | X | T | X | A | Y | B | |-------|---|---|---|---|---|---|---|---| | | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | | A | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | | G | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | | G | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | | T | 0 | 1 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | | A | 0 | 1 | 1 | 2 | 2 | 3 | 3 | 3 | | B | 0 | 1 | 1 | 2 | 2 | 3 | 3 | 4 | 最终结果为 `dp[6][7] = 4`,对应的最长公共子序列为 `"GTAB"`。
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