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關于動態規劃演算法的簡單理解

2020-09-16 20:09:22 移動端開發

這次國賽選了B題,雖然拉了但是在做的程序中有一些小理解,想在這里分享出來,

  • 對于求解最優序列的問題,序列中的每一個位置的點有自己的狀態,最優序列即為求得最優的狀態序列,這涉及三部分內容:

    1. 定義狀態
    2. 定義狀態的分數
    3. 定義狀態轉移
  • 定義狀態: 把一個點的狀態抽象為一個k維向量 ( x 1 , x 2 , . . . , x k ) (x_1,x_2,...,x_k) (x1?,x2?,...,xk?),該向量的每一維度都代表該狀態的不同維度,這些維度的取值合在一起構成了這個內容的狀態;
    需要注意的是,任何一個狀態都有其最基礎的一個維度:時間維度,這個時間也可以理解為其在狀態序列中的位置;
    以B題第一關為例,向量有四個維度分別是時間玩家位置玩家消耗的水玩家消耗的食物,基礎維度時間即代表該玩家是在沙漠上的第幾天,每一個維度都有不同取值,代表了不同的狀態,

  • 定義狀態的分數: 即為每一個狀態 x = ( x 1 , x 2 , . . . , x k ) x = (x_1,x_2,...,x_k) x=(x1?,x2?,...,xk?)維護一個分數 ω \omega ω,分數高代表這個狀態更優,記 f ( x ) = x . ω f(x) = x.\omega f(x)=x.ω
    值得注意的是,每一個狀態的分數都與其前序狀態密切相關;以B題第一關為例,這個 ω \omega ω就是該狀態下玩家剩余的資金,其與玩家前一天剩余的資金密切相關,

  • 定義狀態轉移: 首先,定義當前狀態 x c x_c xc? x c ∈ ( c , ? , ? , . . . , ? ) x_c \in (c,*,*,...,*) xc?(c,?,?,...,?) c ∈ 0 , 1 , 2 , . . . , T c \in {0,1,2,...,T} c0,1,2,...,T,那么有 x c + 1 = N e x t ( x c ) x_{c+1} = Next(x_c) xc+1?=Next(xc?),其中 N e x t ( x c ) Next(x_c) Next(xc?)代表 x c x_c xc?的下一個狀態
    假設 x c + 1 = ( x 1 ′ , x 2 ′ , . . . , x k ′ ) x_{c+1} = (x_1',x_2',...,x_k') xc+1?=(x1?,x2?,...,xk?),考慮 ? x c ′ ≠ x c \exists x_c' \neq x_c ?xc??=xc?,并且 N e x t ( x c ′ ) = x c + 1 Next(x_c') = x_{c+1} Next(xc?)=xc+1?,這便是子問題之間的重復性,帶有這個特征的問題可以使用動態規劃演算法求解:
    即令 x c ˉ = { x c ∣ x c ∈ ( c , ? , ? , . . . , ? ) ∧ N e x t ( x c ) = x c + 1 } \bar{x_c} = \{x_c| x_c \in (c,*,*,...,*) \wedge Next(x_c) = x_{c+1}\} xc?ˉ?={xc?xc?(c,?,?,...,?)Next(xc?)=xc+1?},那么有 x c + 1 = a r g m a x ( f ( x c ˉ ) + C o s t ( x c → x c + 1 ) ) (*) x_{c+1} = argmax(f(\bar{x_c}) + Cost(x_c \rightarrow x_{c+1})) \tag{*} xc+1?=argmax(f(xc?ˉ?)+Cost(xc?xc+1?))(*)其中 C o s t ( x c → x c + 1 ) Cost(x_c \rightarrow x_{c+1}) Cost(xc?xc+1?)代表從 x c x_c xc?轉移到 x c + 1 x_{c+1} xc+1?帶來的分數變化,每一個分數不同的 x c x_c xc?都可能轉移到分數不同的 x c + 1 x_{c+1} xc+1?,即
    f ( x c ) + C o s t ( x c → x c + 1 ) = f ( x c + 1 ) f(x_c) + Cost(x_c \rightarrow x_{c+1}) = f(x_{c+1}) f(xc?)+Cost(xc?xc+1?)=f(xc+1?)
    因此, ( ? ) (*) (?)式可以轉化為
    x c + 1 = a r g m a x ( f ( x c + 1 ˉ ) ) x_{c+1} = argmax(f(\bar{x_{c+1}})) xc+1?=argmax(f(xc+1?ˉ?))
    其中 x c + 1 ˉ = N e x t ( x c ˉ ) \bar{x_{c+1}} = Next(\bar{x_c}) xc+1?ˉ?=Next(xc?ˉ?) a r g m a x ( ω ) argmax(\omega) argmax(ω)代表選出 ω \omega ω最大的 x c x_c xc?


    之后重復上述轉移程序,每一個 x c x_c xc?都會是具有最高分數的,即最優的,最后有
    x T = a r g m a x ( f ( x T ˉ ) ) x_{T} = argmax(f(\bar{x_{T}})) xT?=argmax(f(xT?ˉ?))
    x T x_{T} xT?即為序列的最終位置的最優狀態,根據此狀態回溯其前序狀態,則可以得到序列中每一個位置的最優狀態與其轉移,

  • 動態規劃是用于求解會有狀態重合的時候的演算法,可以把 O ( D 2 ? D 3 ? . . . ? D k ) T O(D_2 * D_3 *...*D_k)^T O(D2??D3??...?Dk?)T的復雜度降低到 O ( D 2 ? D 3 ? . . . ? T ) O(D_2 * D_3 * ... *T) O(D2??D3??...?T),其中 D i D_i Di? x x x中第 i + 1 i+1 i+1維的維度,這里不知道說的對不對,希望大佬指正

  • 可以拓展到各種優化演算法上,遺傳、蟻群等等感覺都差不多,只是定義狀態的分數和轉移有一點不同,但感覺殊途同歸,

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