程序员的算法课（6）-最长公共子序列（LCS）
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上一节我们讲了动态规划，我们也知道，动态规划对于子问题重叠的情况特别有效，因为它将子问题的解保存在存储空间中，当需要某个子问题的解时，直接取值即可，从而避免重复计算！
这一节我们来解决一个问题，就是最长公共子序列。
一、啥叫最长公共子序列？
【百度百科】LCS是Longest Common Subsequence的缩写，即最长公共子序列。一个序列，如果是两个或多个已知序列的子序列，且是所有子序列中最长的，则为最长公共子序列。
在两个字符串中，有些字符会一样，形成的子序列也有可能相等，因此，长度最长的相等子序列便是两者间的最长公共字序列，其长度可以使用动态规划来求。
比如，对于字符串str1："aabcd";有顺序且相互相邻的aabc是其子序列，有顺序但是不相邻的abd也是其子序列。即，只要得出序列中各个元素属于所给出的数列，就是子序列。
再来一个字符串str2："12abcabcd"；对比可以得出str1和str2的最长公共子序列是abcd。
得出结论：
- 子序列不是子集，它和原始序列的元素顺序是相关的。
- 空序列是任何两个序列的公共子序列。
- 子序列、公共子序列以及最长公共子序列都不唯一。
- 对于一个长度为n的序列，它一共有2^n 个子序列，有(2^n – 1)个非空子序列。
二、P问题和NP问题
P问题：一个问题可以在多项式（O(n^k)）的时间复杂度内解决。
NP问题：一个问题的解可以在多项式的时间内被验证。
用人话来解释：
P问题：一个问题可以在多项式（O(n^k)）的时间复杂度内解决。
NP问题：一个问题的解可以在多项式的时间内被验证。
三、最长公共子序列的解决办法
PS：可以使用递归去蛮力解决，需要遍历出所有的可能，时间复杂度是O(2^m*2^n)，太慢了。
对于一般的LCS问题，都属于NP问题。当数列的量为一定的时，都可以采用动态规划去解决。时间复杂度时O(n * m)，空间也是O(n * m)。
1.分析规律
对于可用动态规划求解的问题，一般有两个特征：①最优子结构；②重叠子问题
①最优子结构
设 X=(x1,x2,.....xn) 和 Y={y1,y2,.....ym} 是两个序列，将 X 和 Y 的最长公共子序列记为LCS(X,Y)
找出LCS(X,Y)就是一个最优化问题。因为，我们需要找到X 和 Y中最长的那个公共子序列。而要找X 和 Y的LCS，首先考虑X的最后一个元素和Y的最后一个元素。
1）如果 xn=ym，即X的最后一个元素与Y的最后一个元素相同，这说明该元素一定位于公共子序列中。因此，现在只需要找：LCS(Xn-1，Ym-1)
LCS(Xn-1，Ym-1)就是原问题的一个子问题。为什么叫子问题？因为它的规模比原问题小。（小一个元素也是小嘛....）
为什么是最优的子问题？因为我们要找的是Xn-1 和 Ym-1 的最长公共子序列啊。。。最长的！！！换句话说，就是最优的那个。（这里的最优就是最长的意思）
2）如果xn != ym，这下要麻烦一点，因为它产生了两个子问题：LCS(Xn-1，Ym) 和 LCS(Xn，Ym-1)
因为序列X 和 序列Y 的最后一个元素不相等嘛，那说明最后一个元素不可能是最长公共子序列中的元素嘛。（都不相等了，怎么公共嘛）。
LCS(Xn-1，Ym)表示：最长公共序列可以在(x1,x2,....x(n-1)) 和 (y1,y2,...yn)中找。
LCS(Xn，Ym-1)表示：最长公共序列可以在(x1,x2,....xn) 和 (y1,y2,...y(n-1))中找。
求解上面两个子问题，得到的公共子序列谁最长，那谁就是 LCS（X,Y）。用数学表示就是：
LCS=max{LCS(Xn-1，Ym)，LCS(Xn，Ym-1)}
由于条件 1) 和 2) 考虑到了所有可能的情况。因此，我们成功地把原问题 转化 成了 三个规模更小的子问题。
②重叠子问题
重叠子问题是啥？就是说原问题 转化 成子问题后， 子问题中有相同的问题。
来看看，原问题是：LCS(X,Y)。子问题有 ?LCS(Xn-1，Ym-1) ?LCS(Xn-1，Ym) ?LCS(Xn，Ym-1)
初一看，这三个子问题是不重叠的。可本质上它们是重叠的，因为它们只重叠了一大部分。举例：
第二个子问题：LCS(Xn-1，Ym) 就包含了：问题?LCS(Xn-1，Ym-1)，为什么？
因为，当Xn-1 和 Ym 的最后一个元素不相同时，我们又需要将LCS(Xn-1，Ym)进行分解：分解成：LCS(Xn-1，Ym-1) 和 LCS(Xn-2，Ym)
也就是说：在子问题的继续分解中，有些问题是重叠的。
2.做法
如果用一个二维数组c表示字符串X和Y中对应的前i，前j个字符的LCS的长度话，可以得到以下公式：
- 这个非常好理解，其中一个字符串为0的时候，那么肯定是0了。
- 当两个字符相等的时候，这个时候很好理解，举例来说：
abcd和adcd,在遍历c的时候，发现前面只有a相等了，也就是1.- 那么
c相等，也就是abc和adc在匹配的时候，一定比ab和ad的长度大1，这个1就是c相等么。也就是相等的时候，是比c[i-1][j-1]大1的。 - 下一个更好理解了，如果不相等，肯定就是找到上一个时刻对比最大的么。
因此，我们只需要从c[0][0]开始填表，填到c[m-1][n-1]，所得到的c[m-1][n-1]就是LCS的长度。
但是，我们怎么得到LCS本身而非LCS的长度呢？也是用一个二维数组b来表示：
- 在对应字符相等的时候，用↖标记
- 在p1 >= p2的时候，用↑标记
- 在p1 < p2的时候，用←标记
标记函数为：
比如说求ABCBDAB和BDCABA的LCS:
灰色且带↖箭头的部分即为所有的LCS的字符。就是一个填表过程。填好的表也就把子序列记录下来了，我们可以通过查表的方式得到你要的最长子序列。
这里可以看到，我们构造的一个i*j的矩阵，这个矩阵里的内容不但包括数值（当前结果的最优解），还包括一个方向箭头，这个代表了我们回溯的时候，需要行走的方向。
所以我们这里保存两个值，可以使用两个二维矩阵，也可以使用一个结构体矩阵。
四、演示下c数组的填表过程
以求ABCB和BDCA的LCS长度为例：
以此类推
最后填出的表为：
右下角的2即为LCS的长度。
五、实现代码
-
public class LongestCommonSubsequence { -
public static int [][]mem; -
public static int [][]s; -
public static int [] result; // 记录子串下标 -
public static int LCS(char []X,char []Y,int n,int m){ -
for (int i = 0; i <= n; i++) { -
mem[i][0] = 0; -
s[i][0] = 0; -
} -
for (int i = 0; i <= m; i++) { -
mem[0][i] = 0; -
s[0][i] = 0; -
} -
for (int i = 1; i <= n; i++) { -
for (int j = 1; j <= m ; j++) { -
if (X[i-1] == Y[j-1]){ -
mem[i][j] = mem[i-1][j-1] + 1; -
s[i][j] = 1; -
} -
else { -
mem[i][j] = Math.max(mem[i][j-1],mem[i-1][j]); -
if (mem[i][j] == mem[i-1][j]){ -
s[i][j] = 2; -
} -
else s[i][j] = 3; -
} -
} -
} -
return mem[n][m]; -
} -
// 追踪解 -
public static void trace_solution(int n,int m){ -
int i = n; -
int j = m; -
int p = 0; -
while (true){ -
if (i== 0 || j == 0) break; -
if (s[i][j] == 1 ){ -
result[p] = i; -
p++; -
i--;j--; -
} -
else if (s[i][j] == 2){ -
i--; -
} -
else { //s[i][j] == 3 -
j--; -
} -
} -
} -
public static void print(int [][]array,int n,int m){ -
for (int i = 0; i < n + 1; i++) { -
for (int j = 0; j < m + 1; j++) { -
System.out.printf("%d ",array[i][j]); -
} -
System.out.println(); -
} -
} -
public static void main(String[] args) { -
char []X = {'A','B','C','B','D','A','B'}; -
char []Y = {'B','D','C','A','B','A'}; -
int n = X.length; -
int m = Y.length; -
// 这里重点理解，相当于多加了第一行 第一列。 -
mem = new int[n+1][m+1]; -
// 1 表示 左上箭头 2 表示 上 3 表示 左 -
s = new int[n+1][m+1]; -
result = new int[Math.min(n,m)]; -
int longest = LCS(X,Y,n,m); -
System.out.println("备忘录表为："); -
print(mem,n,m); -
System.out.println("标记函数表为："); -
print(s,n,m); -
System.out.printf("longest : %d \n",longest); -
trace_solution(n,m); -
// 输出注意 result 记录的是字符在序列中的下标 -
for (int k = longest-1; k >=0 ; k--) { -
// 还需要再减一 才能跟 X Y序列对齐。 -
int index = result[k]-1; -
System.out.printf("%c ",X[index]); -
} -
} -
}
-
备忘录表为： -
0 0 0 0 0 0 0 -
0 0 0 0 1 1 1 -
0 1 1 1 1 2 2 -
0 1 1 2 2 2 2 -
0 1 1 2 2 3 3 -
0 1 2 2 2 3 3 -
0 1 2 2 3 3 4 -
0 1 2 2 3 4 4 -
标记函数表为： -
0 0 0 0 0 0 0 -
0 2 2 2 1 3 1 -
0 1 3 3 2 1 3 -
0 2 2 1 3 2 2 -
0 1 2 2 2 1 3 -
0 2 1 2 2 2 2 -
0 2 2 2 1 2 1 -
0 1 2 2 2 1 2 -
longest : 4 -
B C B A
六、总结
感觉没有讲到位，先挖坑在这里吧。
- 需要两个数组分别保存长度和具体的最长公共子序列的值
- 通过二维表的方式，把上一个结果存起来，后面只要查表就可以了
- git的diff算法是对最长公共子序列算法的延伸，性能更高
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参考资料：
- https://www.jianshu.com/p/cffe6217e13b
- https://blog.csdn.net/lz161530245/article/details/76943991
- https://www.cnblogs.com/xujian2014/p/4362012.html
- https://www.cnblogs.com/wkfvawl/p/9362287.html
- https://www.jianshu.com/p/b0172a3ac46c
- https://blog.csdn.net/weixin_40673608/article/details/84262695
- git diff比较
- https://blog.csdn.net/lxt_lucia/article/details/81209962
- https://blog.csdn.net/smilejiasmile/article/details/81503537
内容总结
以上是互联网集市为您收集整理的程序员的算法课（6）-最长公共子序列（LCS）全部内容，希望文章能够帮你解决程序员的算法课（6）-最长公共子序列（LCS）所遇到的程序开发问题。 如果觉得互联网集市技术教程内容还不错，欢迎将互联网集市网站推荐给程序员好友。
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