代码随想录算法day39 | 动态规划算法part12 | 115.不同的子序列,583. 两个字符串的删除操作,72. 编辑距离

115.不同的子序列

相对于 392.判断子序列,本题有难度了,感受一下本题和 392.判断子序列 的区别。

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给定一个字符串 s 和一个字符串 t ,计算在 s 的子序列中 t 出现的个数。

字符串的一个 子序列 是指,通过删除一些(也可以不删除)字符且不干扰剩余字符相对位置所组成的新字符串。(例如,"ACE" 是 "ABCDE" 的一个子序列,而 "AEC" 不是)

题目数据保证答案符合 32 位带符号整数范围。

115.不同的子序列示例

提示:

  • 0 <= s.length, t.length <= 1000
  • s 和 t 由英文字母组成

这道题目如果不是子序列,而是要求连续序列的,那就可以考虑用KMP。

相对于之前的 392.判断字序列 就有难度了,这道题目双指针法可就做不了了,来看看动规五部曲分析如下:

  • 确定dp数组(dp table)以及下标的含义

dp[i][j]:以 i-1 为结尾的 s 子序列中出现以 j-1 为结尾的 t 的个数为 dp[i][j]。

为什么 i-1,j-1 这么定义在 718.最长重复子数组 中做了详细的讲解。

  • 确定递推公式

这一类问题,基本是要分析两种情况

  • s[i - 1] 与 t[j - 1]相等
  • s[i - 1] 与 t[j - 1] 不相等

当 s[i - 1] 与 t[j - 1]相等时,dp[i][j] 可以有两部分组成。

一部分是用 s[i - 1] 来匹配,那么个数为 dp[i - 1][j - 1]。即不需要考虑当前 s 子串和 t 子串的最后一位字母,所以只需要 dp[i-1][j-1]。

一部分是不用s[i - 1]来匹配,个数为dp[i - 1][j]。

这里可能有盆友不明白了,为什么还要考虑 不用s[i - 1]来匹配,都相同了指定要匹配啊

例如: s:bagg 和 t:bag ,s[3] 和 t[2]是相同的,但是字符串 s 也可以不用 s[3] 来匹配,即用s[0]s[1]s[2]组成的bag。

当然也可以用s[3]来匹配,即:s[0]s[1]s[3]组成的bag。

所以当s[i - 1] 与 t[j - 1]相等时,dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1] + dp[i - 1][j];

当s[i - 1] 与 t[j - 1]不相等时,dp[i][j]只有一部分组成,不用s[i - 1]来匹配(就是模拟在 s 中删除这个元素),即:dp[i - 1][j]

所以递推公式为:dp[i][j] = dp[i - 1][j];

这里可能还有疑惑,为什么只考虑 “不用 s[i - 1] 来匹配” 这种情况, 不考虑 “不用t[j - 1]来匹配” 的情况呢。

这里大家要明确,我们求的是 s 中有多少个 t,而不是求 t 中有多少个 s,所以只考虑 s 中删除元素的情况,即不用 s[i - 1] 来匹配的情况。

  • dp数组如何初始化

从递推公式dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1] + dp[i - 1][j]; 和 dp[i][j] = dp[i - 1][j]; 中可以看出dp[i][j] 是从上方和左上方推导而来,如图:,那么 dp[i][0] 和dp[0][j]是一定要初始化的。

每次当初始化的时候,都要回顾一下 dp[i][j] 的定义,不要凭感觉初始化。

dp[i][0]表示什么呢?

dp[i][0] 表示:以i-1为结尾的s可以随便删除元素,出现空字符串的个数。

那么dp[i][0]一定都是1,因为也就是把以 i-1 为结尾的 s,删除所有元素,出现空字符串的个数就是1。

再来看dp[0][j]

dp[0][j]:空字符串 s 可以随便删除元素,出现以j-1为结尾的字符串t的个数。

那么dp[0][j]一定都是0,s 如论如何也变成不了 t。

最后就要看一个特殊位置了,即:dp[0][0] 应该是多少。

dp[0][0]应该是 1,空字符串 s,可以删除 0 个元素,变成空字符串 t。

初始化分析完毕,代码如下:

int[][] dp = new int[s.length() + 1][t.length() + 1];
for (int i = 0; i < s.length() + 1; i++) {dp[i][0] = 1;
}
  • 确定遍历顺序

从递推公式dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1] + dp[i - 1][j]; 和 dp[i][j] = dp[i - 1][j]; 中可以看出dp[i][j]都是根据左上方和正上方推出来的。

所以遍历的时候一定是从上到下,从左到右,这样保证 dp[i][j] 可以根据之前计算出来的数值进行计算。

代码如下:

for (int i = 1; i <= s.length(); i++) {for (int j = 1; j <= t.length(); j++) {if (s[i - 1] == t[j - 1]) {dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1] + dp[i - 1][j];} else {dp[i][j] = dp[i - 1][j];}}
}
  • 举例推导dp数组

以s:"baegg",t:"bag"为例,推导dp数组状态如下:

115.不同的子序列

如果写出来的代码怎么改都通过不了,不妨把dp数组打印出来,看一看,是不是这样的。

动规五部曲分析完毕,代码如下:

class Solution {public int numDistinct(String s, String t) {int[][] dp = new int[s.length() + 1][t.length() + 1];for (int i = 0; i < s.length() + 1; i++) {dp[i][0] = 1;}for (int i = 1; i < s.length() + 1; i++) {for (int j = 1; j < t.length() + 1; j++) {if (s.charAt(i - 1) == t.charAt(j - 1)) {dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1] + dp[i - 1][j];}else{dp[i][j] = dp[i - 1][j];}}}return dp[s.length()][t.length()];}
}
  • 时间复杂度: O(n * m)
  • 空间复杂度: O(n * m)

 583. 两个字符串的删除操作

本题和上题 115.不同的子序列 相比,其实就是两个字符串都可以删除了,情况虽说复杂一些,但整体思路是不变的。

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给定两个单词 word1 和 word2,找到使得 word1 和 word2 相同所需的最小步数,每步可以删除任意一个字符串中的一个字符。

示例:

  • 输入: "sea", "eat"
  • 输出: 2
  • 解释: 第一步将"sea"变为"ea",第二步将"eat"变为"ea"

本题和上题 115.不同的子序列 相比,其实就是两个字符串都可以删除了,情况虽说复杂一些,但整体思路是不变的。

这次是两个字符串可以相互删了,这种题目也知道用动态规划的思路来解,动规五部曲,分析如下:

  • 确定dp数组(dp table)以及下标的含义

dp[i][j]:以 i-1 为结尾的字符串 word1,和以 j-1 为结尾的字符串 word2,想要达到相等,所需要删除元素的最少次数。

这里dp数组的定义有点点绕,大家要捋清思路。

  • 确定递推公式

  • 当word1[i - 1] 与 word2[j - 1]相同的时候
  • 当word1[i - 1] 与 word2[j - 1]不相同的时候

当word1[i - 1] 与 word2[j - 1]相同的时候,dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1];

当word1[i - 1] 与 word2[j - 1]不相同的时候,有三种情况:

情况一:删word1[i - 1],最少操作次数为dp[i - 1][j] + 1

情况二:删word2[j - 1],最少操作次数为dp[i][j - 1] + 1

情况三:同时删word1[i - 1]和word2[j - 1],操作的最少次数为dp[i - 1][j - 1] + 2

那最后当然是取最小值,所以当word1[i - 1] 与 word2[j - 1]不相同的时候,递推公式:dp[i][j] = min({dp[i - 1][j - 1] + 2, dp[i - 1][j] + 1, dp[i][j - 1] + 1});

  • dp数组如何初始化

从递推公式中,可以看出来,dp[i][0] 和 dp[0][j]是一定要初始化的。

dp[i][0]:word2为空字符串,以 i-1 为结尾的字符串word1要删除多少个元素,才能和 word2 相同呢,很明显 dp[i][0] = i。

dp[0][j]的话同理,所以代码如下:

int[][] dp = new int[word1.length() + 1][word2.length() + 1];
for (int i = 0; i < word1.length() + 1; i++) dp[i][0] = i;
for (int j = 0; j < word2.length() + 1; j++) dp[0][j] = j;
  • 确定遍历顺序

从递推公式 dp[i][j] = min(dp[i - 1][j - 1] + 2, min(dp[i - 1][j], dp[i][j - 1]) + 1); 和dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1]可以看出dp[i][j]都是根据左上方、正上方、正左方推出来的。

所以遍历的时候一定是从上到下,从左到右,这样保证dp[i][j]可以根据之前计算出来的数值进行计算。

  • 举例推导dp数组

以word1:"sea",word2:"eat"为例,推导dp数组状态图如下:

583.两个字符串的删除操作1

以上分析完毕,代码如下:

// dp数组中存储需要删除的字符个数
class Solution {public int minDistance(String word1, String word2) {int[][] dp = new int[word1.length() + 1][word2.length() + 1];for (int i = 0; i < word1.length() + 1; i++) dp[i][0] = i;for (int j = 0; j < word2.length() + 1; j++) dp[0][j] = j;for (int i = 1; i < word1.length() + 1; i++) {for (int j = 1; j < word2.length() + 1; j++) {if (word1.charAt(i - 1) == word2.charAt(j - 1)) {dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1];}else{dp[i][j] = Math.min(dp[i - 1][j - 1] + 2,Math.min(dp[i - 1][j] + 1, dp[i][j - 1] + 1));}}}return dp[word1.length()][word2.length()];}
}
  • 时间复杂度: O(n * m)
  • 空间复杂度: O(n * m)

72. 编辑距离

最终我们迎来了编辑距离这道题目,之前安排题目都是为了编辑距离做铺垫。

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给你两个单词 word1 和 word2,请你计算出将 word1 转换成 word2 所使用的最少操作数 。

你可以对一个单词进行如下三种操作:

  • 插入一个字符

  • 删除一个字符

  • 替换一个字符

  • 示例 1:

  • 输入:word1 = "horse", word2 = "ros"

  • 输出:3

  • 解释: horse -> rorse (将 'h' 替换为 'r') rorse -> rose (删除 'r') rose -> ros (删除 'e')

  • 示例 2:

  • 输入:word1 = "intention", word2 = "execution"

  • 输出:5

  • 解释: intention -> inention (删除 't') inention -> enention (将 'i' 替换为 'e') enention -> exention (将 'n' 替换为 'x') exention -> exection (将 'n' 替换为 'c') exection -> execution (插入 'u')

提示:

  • 0 <= word1.length, word2.length <= 500
  • word1 和 word2 由小写英文字母组成

编辑距离终于来了,这道题目如果大家没有了解动态规划的话,会感觉超级复杂。

编辑距离是用动规来解决的经典题目,这道题目看上去好像很复杂,但用动规可以很巧妙的算出最少编辑距离。

接下来我依然使用动规五部曲,对本题做一个详细的分析:

  • 确定dp数组(dp table)以及下标的含义

dp[i][j] 表示以下标 i-1 为结尾的字符串word1,和以下标 j-1 为结尾的字符串word2,最小编辑距离为dp[i][j]

有同学问了,为啥要表示下标 i-1 为结尾的字符串呢,为啥不表示下标i为结尾的字符串呢?

其实用 i 来表示也可以! 用 i-1 就是为了方便后面dp数组初始化的。

  • 确定递推公式

在确定递推公式的时候,首先要考虑清楚编辑的几种操作,整理如下:

if (word1[i - 1] == word2[j - 1])不操作
if (word1[i - 1] != word2[j - 1])增删换

也就是如上4种情况。

if (word1[i - 1] == word2[j - 1]) 那么说明不用任何编辑,dp[i][j] 就应该是 dp[i - 1][j - 1],即dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1];

此时可能有同学有点不明白,为啥要即dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1]呢?

那么就在回顾上面讲过的dp[i][j]的定义,word1[i - 1] 与 word2[j - 1]相等了,那么就不用编辑了,以下标 i-2 为结尾的字符串word1和以下标 j-2 为结尾的字符串word2的最小编辑距离dp[i - 1][j - 1]就是 dp[i][j]了。

在下面的讲解中,如果哪里看不懂,就回想一下dp[i][j]的定义,就明白了。

在整个动规的过程中,最为关键就是正确理解dp[i][j]的定义!

if (word1[i - 1] != word2[j - 1]),此时就需要编辑了,如何编辑呢?

  • 操作一:word1删除一个元素,那么就是以下标 i - 2 为结尾的 word1 与 j-1为结尾的word2的最小编辑距离 再加上一个操作。

 dp[i][j] = dp[i - 1][j] + 1;

  • 操作二:word2删除一个元素,那么就是以下标 i - 1 为结尾的word1 与 j-2 为结尾的word2的最小编辑距离 再加上一个操作。

 dp[i][j] = dp[i][j - 1] + 1;

这里有同学发现了,怎么都是删除元素,添加元素去哪了。

word2添加一个元素,相当于word1删除一个元素,例如 word1 = "ad" ,word2 = "a"word1删除元素'd' 和 word2添加一个元素'd',变成word1="a", word2="ad", 最终的操作数是一样! dp数组如下图所示意的:

            a                         a     d+-----+-----+             +-----+-----+-----+|  0  |  1  |             |  0  |  1  |  2  |+-----+-----+   ===>      +-----+-----+-----+a |  1  |  0  |           a |  1  |  0  |  1  |+-----+-----+             +-----+-----+-----+d |  2  |  1  |+-----+-----+
  • 操作三:替换元素,word1替换word1[i - 1],使其与word2[j - 1]相同,此时不用增删加元素。

可以回顾一下,if(word1[i - 1] == word2[j - 1])的时候我们的操作是 dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1] 对吧。

那么只需要一次替换的操作,就可以让 word1[i - 1] 和 word2[j - 1] 相同。

所以 dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1] + 1;

综上,当 if(word1[i - 1] != word2[j - 1]) 时取最小的,即:dp[i][j] = min({dp[i - 1][j - 1], dp[i - 1][j], dp[i][j - 1]}) + 1;

递归公式代码如下:

if (word1[i - 1] == word2[j - 1]) {dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1];
}
else {dp[i][j] = Math.min(dp[i - 1][j - 1], Math.min(dp[i - 1][j], dp[i][j - 1])) + 1;
}
  • dp数组如何初始化

再回顾一下dp[i][j]的定义:

dp[i][j] 表示以下标 i-1 为结尾的字符串word1,和以下标 j-1 为结尾的字符串word2,最近编辑距离为dp[i][j]

那么dp[i][0] 和 dp[0][j] 表示什么呢?

dp[i][0] :以下标 i-1 为结尾的字符串 word1,和空字符串 word2,最近编辑距离为 dp[i][0]。

那么 dp[i][0] 就应该是 i,对 word1 里的元素全部做删除操作,即:dp[i][0] = i;

同理dp[0][j] = j;

所以代码如下:

for (int i = 0; i <= word1.length(); i++) dp[i][0] = i;
for (int j = 0; j <= word2.length(); j++) dp[0][j] = j;
  • 确定遍历顺序

从如下四个递推公式:

  • dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1]
  • dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1] + 1
  • dp[i][j] = dp[i][j - 1] + 1
  • dp[i][j] = dp[i - 1][j] + 1

可以看出dp[i][j]是依赖左方,上方和左上方元素的,如图:

72.编辑距离

所以在dp矩阵中一定是从左到右从上到下去遍历。

代码如下:

for (int i = 1; i <= word1.length(); i++) {for (int j = 1; j <= word2.length(); j++) {if (word1[i - 1] == word2[j - 1]) {dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1];}else {dp[i][j] = Math.min(dp[i - 1][j - 1], Math.min(dp[i - 1][j], dp[i][j - 1])) + 1;}}
}
  • 举例推导dp数组

以示例1为例,输入:word1 = "horse", word2 = "ros"为例,dp矩阵状态图如下:

72.编辑距离1

以上动规五部分析完毕,Java代码如下:

public int minDistance(String word1, String word2) {int m = word1.length();int n = word2.length();int[][] dp = new int[m + 1][n + 1];// 初始化for (int i = 1; i <= m; i++) {dp[i][0] =  i;}for (int j = 1; j <= n; j++) {dp[0][j] = j;}for (int i = 1; i <= m; i++) {for (int j = 1; j <= n; j++) {// 因为dp数组有效位从1开始// 所以当前遍历到的字符串的位置为i-1 | j-1if (word1.charAt(i - 1) == word2.charAt(j - 1)) {dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1];} else {dp[i][j] = Math.min(Math.min(dp[i - 1][j - 1], dp[i][j - 1]), dp[i - 1][j]) + 1;}}}return dp[m][n];
}
  • 时间复杂度: O(n * m)
  • 空间复杂度: O(n * m)

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