北京学区房
刚开始学的时候,盯着那串定义,满脑子问号。两个序列X和Y,怎么就找出个Z来?那会儿,我甚至想过暴力穷举,把X的所有子序列都拎出来,再看看Y里哪个能匹配上,而且最长。结果呢?想多了。那复杂度,指数爆炸啊,稍微长点儿的序列,我的老破电脑估计直接冒烟。此路不通。
然后就撞上了动态规划。天哪,动态规划!这词儿本身就带着一股子学院派的威严和、嗯,劝退感。但最长公共子序列,它跟动态规划简直是绑定销售,一说LCS,脑子里立马蹦出DP那套框架。为什么?因为它满足动态规划最爱的两个条件:最优子结构和重叠子问题。
最优子结构,说白了就是大问题的最优解,可以从它的小问题最优解推出来。找两个序列的最长公共子序列,你只需要知道它们各自短一点儿的前缀的最长公共子序列是啥,就能决定当前这一步该咋走。你看,就像搭乐高,你把每一小块搭好了,最后自然拼出个大模型。
至于重叠子问题,那就更明显了。你在算不同长度前缀的LCS时,会发现,同样的短前缀组合会被反复问到。比如算X前5个字符跟Y前6个字符的LCS,可能需要用到X前4个跟Y前6个的,也可能需要X前5个跟Y前5个的。而算X前4个跟Y前6个的LCS时,又会用到X前4个跟Y前5个的,等等。如果每次都从头算,那不是傻吗?把算过的结果存起来,下次直接查表,岂不美哉?这就是备忘录的思想,动态规划的核心之一。
所以,解决LCS的标准姿势,就是祭出那张二维数组,或者叫DP表。想象一下,一个表格,行代表序列X的前缀,列代表序列Y的前缀。表格里的每一个格子`dp[i][j]`,存的就是X的前i个字符和Y的前j个字符的最长公共子序列的长度。
填充这张表的过程,就像是在地图上探险,每一步都得遵循规则。这个规则,就是那个传说中的状态转移方程。它其实逻辑挺朴素的:
1. 如果X的第i个字符和Y的第j个字符相等(`X[i] == Y[j]`),恭喜你!找到了一个共同的字符。这时候,`dp[i][j]`的值就等于它们各自前一个字符匹配的结果再加1。就像两个人在那个雨天去了同一个咖啡馆,这条公共轨迹的长度,就是他们去咖啡馆之前那段轨迹的长度,再加上去咖啡馆这一站。所以,`dp[i][j] = dp[i-1][j-1] + 1`。这是最理想的情况,公共序列长度增加了。
2. 如果X的第i个字符和Y的第j个字符不相等(`X[i] != Y[j]`),那就有点小遗憾了。这个字符没法同时出现在当前的公共子序列里。那怎么办?我们只能“放弃”其中一个字符,去看看剩下部分的最长公共子序列是多长。是放弃X的第i个字符(看X前i-1个和Y前j个的LCS),还是放弃Y的第j个字符(看X前i个和Y前j-1个的LCS)?哪个能给我们带来更长的公共序列,我们就选哪个。所以,`dp[i][j] = max(dp[i-1][j], dp[i][j-1])`。这是个取舍的过程,公共序列的长度不会增加,只能保持或者取两者中较大的那个。
就是这两条规则,填满了整个二维数组。从左上角的`dp[0][0]`(通常初始化为0,因为空序列的LCS长度是0)开始,一行一行、一列一列地填下去。填到右下角那个格子`dp[m][n]`(m是X的长度,n是Y的长度),里头的数字,就是最终的答案——最长公共子序列的长度。
整个过程,脑子里真能浮现一个画面:那个表格,像一个正在生长的网格,每个数字都是前面计算结果“生”出来的,承载着所有历史决策的痕迹。每填一个格子,就像是在两个序列的匹配之路上迈出一步,每一步都朝着那个“最长”的目标前进,小心翼翼地权衡得失。
光知道长度还不够啊,有时候我们还想知道具体是哪个子序列。这就需要回溯了。从二维数组的右下角开始,沿着我们刚才填表时做出的选择路径,一步步往回走。如果当前格子的值`dp[i][j]`等于`dp[i-1][j-1] + 1`,那说明X的第i个字符和Y的第j个字符是匹配的,它们属于最长公共子序列,我们就把这个字符收起来,然后跳到`dp[i-1][j-1]`。如果不是,那就看`dp[i][j]`是等于`dp[i-1][j]`还是`dp[i][j-1]`,往值相等或者符合转移逻辑的方向跳,但不收集字符。比如如果`dp[i][j] == dp[i-1][j]`,说明当前字符不匹配时,是通过“放弃”X的第i个字符来实现的,我们就跳到`dp[i-1][j]`。这样逆着路径走,直到回到左上角,收集起来的字符串反转一下,就是一条最长公共子序列。可能有不止一条这样的序列,但它们长度都是一样的。
在我看来,LCS不仅仅是一个算法题。它是一种思维模式,一种在看似无序或不完全匹配的现象中,寻找潜在一致性和最长关联路径的能力。改文档的diff工具,它工作的底层逻辑就是LCS变种;生物学家比对DNA序列,找进化上的共同点,那也是LCS的舞台;甚至两个人在交流,你捕捉到的最能引起共鸣、顺序又不乱的那串关键词或观点,是不是也能看成一种“心理LCS”?
它教会我,面对一个复杂问题,别急着莽上去,先看看能不能把它拆成更小的、相互关联的子问题。这些子问题有没有重复?如果有,那动态规划,那张二维数组,那个状态转移方程,就是你的武器。虽然过程可能有点枯燥,填充表格像极了按部就班的生活,但最终得到的那个数字,那条回溯出来的序列,却蕴含着一种穿越差异找到共同的、最优的美感。它不是最直白的子串,而是隐藏在深处的、需要一番功夫才能发掘的,最长的那条“暗线”。想想都觉得,嗯,挺酷的。
相关问答