hello-algo/chapter_dynamic_programming/edit_distance_problem.md

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# 14.6.   编辑距离问题

编辑距离，也被称为 Levenshtein 距离，是两个字符串之间互相转换的最小修改次数，通常用于在信息检索和自然语言处理中度量两个序列的相似度。

!!! question

    输入两个字符串 $s$ 和 $t$ ，返回将 $s$ 转换为 $t$ 所需的最少编辑步数。
    
    你可以在一个字符串中进行三种编辑操作：插入一个字符、删除一个字符、替换字符为任意一个字符。

如下图所示，将 `kitten` 转换为 `sitting` 需要编辑 3 步，包括 2 次替换操作与 1 次添加操作；将 `hello` 转换为 `algo` 需要 3 步，包括 2 次替换操作和 1 次删除操作。

![编辑距离的示例数据](edit_distance_problem.assets/edit_distance_example.png)

<p align="center"> Fig. 编辑距离的示例数据 </p>

**编辑距离问题可以很自然地用决策树模型来解释**。字符串对应树节点，一轮决策（一次编辑操作）对应树的一条边。

如下图所示，在不限制操作的情况下，每个节点都可以派生出许多条边，每条边对应一种操作。实际上，从 `hello` 转换到 `algo` 有许多种可能的路径，下图展示的是最短路径。从决策树的角度看，本题目标是求解节点 `hello` 和节点 `algo` 之间的最短路径。

![基于决策树模型表示编辑距离问题](edit_distance_problem.assets/edit_distance_decision_tree.png)

<p align="center"> Fig. 基于决策树模型表示编辑距离问题 </p>

**第一步：思考每轮的决策，定义状态，从而得到 $dp$ 表**

每一轮的决策是对字符串 $s$ 进行一次编辑操作。

我们希望在编辑操作的过程中，问题的规模逐渐缩小，这样才能构建子问题。设字符串 $s$ 和 $t$ 的长度分别为 $n$ 和 $m$ ，我们先考虑两字符串尾部的字符 $s[n-1]$ 和 $t[m-1]$ ：

- 若 $s[n-1]$ 和 $t[m-1]$ 相同，我们可以直接跳过它们，接下来考虑 $s[n-2]$ 和 $t[m-2]$ ;
- 若 $s[n-1]$ 和 $t[m-1]$ 不同，我们需要对 $s$ 进行一次编辑（插入、删除、替换），使得两字符串尾部的字符相同，从而可以跳过它们，考虑规模更小的问题；

也就是说，我们在字符串 $s$ 中进行的每一轮决策（编辑操作），都会使得 $s$ 和 $t$ 中剩余的待匹配字符发生变化。因此，状态为当前在 $s$ , $t$ 中考虑的第 $i$ , $j$ 个字符，记为 $[i, j]$ 。

状态 $[i, j]$ 对应的子问题：**将 $s$ 的前 $i$ 个字符更改为 $t$ 的前 $j$ 个字符所需的最少编辑步数**。

至此得到一个尺寸为 $(i+1) \times (j+1)$ 的二维 $dp$ 表。

**第二步：找出最优子结构，进而推导出状态转移方程**

考虑子问题 $dp[i, j]$ ，其对应的两个字符串的尾部字符为 $s[i-1]$ 和 $t[j-1]$ ，可根据不同编辑操作分为三种情况：

1. 在 $s[i-1]$ 之后添加 $t[j-1]$ ，则剩余子问题 $dp[i, j-1]$ ；
2. 删除 $s[i-1]$ ，则剩余子问题 $dp[i-1, j]$ ；
3. 将 $s[i-1]$ 替换为 $t[j-1]$ ，则剩余子问题 $dp[i-1, j-1]$ ；

![编辑距离的状态转移](edit_distance_problem.assets/edit_distance_state_transfer.png)

<p align="center"> Fig. 编辑距离的状态转移 </p>

根据以上分析，可得最优子结构：$dp[i, j]$ 的最少编辑步数等于 $dp[i, j-1]$ , $dp[i-1, j]$ , $dp[i-1, j-1]$ 三者中的最少编辑步数，再加上本次编辑的步数 $1$ 。对应的状态转移方程为：

$$
dp[i, j] = \min(dp[i, j-1], dp[i-1, j], dp[i-1, j-1]) + 1
$$

请注意，**当 $s[i-1]$ 和 $t[j-1]$ 相同时，无需编辑当前字符**，此时状态转移方程为：

$$
dp[i, j] = dp[i-1, j-1]
$$

**第三步：确定边界条件和状态转移顺序**

当两字符串都为空时，编辑步数为 $0$ ，即 $dp[0, 0] = 0$ 。当 $s$ 为空但 $t$ 不为空时，最少编辑步数等于 $t$ 的长度，即 $dp[0, j] = j$ 。当 $s$ 不为空但 $t$ 为空时，等于 $s$ 的长度，即 $dp[i, 0] = i$ 。

观察状态转移方程，解 $dp[i, j]$ 依赖左方、上方、左上方的解，因此通过两层循环正序遍历整个 $dp$ 表即可。

=== "Java"

    ```java title="edit_distance.java"
    /* 编辑距离：动态规划 */
    int editDistanceDP(String s, String t) {
        int n = s.length(), m = t.length();
        int[][] dp = new int[n + 1][m + 1];
        // 状态转移：首行首列
        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            dp[i][0] = i;
        }
        for (int j = 1; j <= m; j++) {
            dp[0][j] = j;
        }
        // 状态转移：其余行列
        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            for (int j = 1; j <= m; j++) {
                if (s.charAt(i - 1) == t.charAt(j - 1)) {
                    // 若两字符相等，则直接跳过此两字符
                    dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1];
                } else {
                    // 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
                    dp[i][j] = Math.min(Math.min(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j]), dp[i - 1][j - 1]) + 1;
                }
            }
        }
        return dp[n][m];
    }
    ```

=== "C++"

    ```cpp title="edit_distance.cpp"
    /* 编辑距离：动态规划 */
    int editDistanceDP(string s, string t) {
        int n = s.length(), m = t.length();
        vector<vector<int>> dp(n + 1, vector<int>(m + 1, 0));
        // 状态转移：首行首列
        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            dp[i][0] = i;
        }
        for (int j = 1; j <= m; j++) {
            dp[0][j] = j;
        }
        // 状态转移：其余行列
        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            for (int j = 1; j <= m; j++) {
                if (s[i - 1] == t[j - 1]) {
                    // 若两字符相等，则直接跳过此两字符
                    dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1];
                } else {
                    // 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
                    dp[i][j] = min(min(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j]), dp[i - 1][j - 1]) + 1;
                }
            }
        }
        return dp[n][m];
    }
    ```

=== "Python"

    ```python title="edit_distance.py"
    def edit_distance_dp(s: str, t: str) -> int:
        """编辑距离：动态规划"""
        n, m = len(s), len(t)
        dp = [[0] * (m + 1) for _ in range(n + 1)]
        # 状态转移：首行首列
        for i in range(1, n + 1):
            dp[i][0] = i
        for j in range(1, m + 1):
            dp[0][j] = j
        # 状态转移：其余行列
        for i in range(1, n + 1):
            for j in range(1, m + 1):
                if s[i - 1] == t[j - 1]:
                    # 若两字符相等，则直接跳过此两字符
                    dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1]
                else:
                    # 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
                    dp[i][j] = min(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j], dp[i - 1][j - 1]) + 1
        return dp[n][m]
    ```

=== "Go"

    ```go title="edit_distance.go"
    [class]{}-[func]{editDistanceDP}
    ```

=== "JavaScript"

    ```javascript title="edit_distance.js"
    [class]{}-[func]{editDistanceDP}
    ```

=== "TypeScript"

    ```typescript title="edit_distance.ts"
    [class]{}-[func]{editDistanceDP}
    ```

=== "C"

    ```c title="edit_distance.c"
    [class]{}-[func]{editDistanceDP}
    ```

=== "C#"

    ```csharp title="edit_distance.cs"
    /* 编辑距离：动态规划 */
    int editDistanceDP(string s, string t) {
        int n = s.Length, m = t.Length;
        int[,] dp = new int[n + 1, m + 1];
        // 状态转移：首行首列
        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            dp[i, 0] = i;
        }
        for (int j = 1; j <= m; j++) {
            dp[0, j] = j;
        }
        // 状态转移：其余行列
        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            for (int j = 1; j <= m; j++) {
                if (s[i - 1] == t[j - 1]) {
                    // 若两字符相等，则直接跳过此两字符
                    dp[i, j] = dp[i - 1, j - 1];
                } else {
                    // 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
                    dp[i, j] = Math.Min(Math.Min(dp[i, j - 1], dp[i - 1, j]), dp[i - 1, j - 1]) + 1;
                }
            }
        }
        return dp[n, m];
    }
    ```

=== "Swift"

    ```swift title="edit_distance.swift"
    [class]{}-[func]{editDistanceDP}
    ```

=== "Zig"

    ```zig title="edit_distance.zig"
    [class]{}-[func]{editDistanceDP}
    ```

=== "Dart"

    ```dart title="edit_distance.dart"
    [class]{}-[func]{editDistanceDP}
    ```

如下图所示，编辑距离问题的状态转移过程与背包问题非常类似，都可以看作是填写一个二维网格的过程。

=== "<1>"
    ![编辑距离的动态规划过程](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step1.png)

=== "<2>"
    ![edit_distance_dp_step2](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step2.png)

=== "<3>"
    ![edit_distance_dp_step3](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step3.png)

=== "<4>"
    ![edit_distance_dp_step4](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step4.png)

=== "<5>"
    ![edit_distance_dp_step5](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step5.png)

=== "<6>"
    ![edit_distance_dp_step6](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step6.png)

=== "<7>"
    ![edit_distance_dp_step7](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step7.png)

=== "<8>"
    ![edit_distance_dp_step8](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step8.png)

=== "<9>"
    ![edit_distance_dp_step9](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step9.png)

=== "<10>"
    ![edit_distance_dp_step10](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step10.png)

=== "<11>"
    ![edit_distance_dp_step11](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step11.png)

=== "<12>"
    ![edit_distance_dp_step12](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step12.png)

=== "<13>"
    ![edit_distance_dp_step13](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step13.png)

=== "<14>"
    ![edit_distance_dp_step14](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step14.png)

=== "<15>"
    ![edit_distance_dp_step15](edit_distance_problem.assets/edit_distance_dp_step15.png)

下面考虑状态压缩，将 $dp$ 表的第一维删除。由于 $dp[i,j]$ 是由上方 $dp[i-1, j]$ 、左方 $dp[i, j-1]$ 、左上方状态 $dp[i-1, j-1]$ 转移而来，而正序遍历会丢失左上方 $dp[i-1, j-1]$ ，倒序遍历无法提前构建 $dp[i, j-1]$ ，因此两种遍历顺序都不可取。

为解决此问题，我们可以使用一个变量 `leftup` 来暂存左上方的解 $dp[i-1, j-1]$ ，这样便只用考虑左方和上方的解，与完全背包问题的情况相同，可使用正序遍历。

=== "Java"

    ```java title="edit_distance.java"
    /* 编辑距离：状态压缩后的动态规划 */
    int editDistanceDPComp(String s, String t) {
        int n = s.length(), m = t.length();
        int[] dp = new int[m + 1];
        // 状态转移：首行
        for (int j = 1; j <= m; j++) {
            dp[j] = j;
        }
        // 状态转移：其余行
        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            // 状态转移：首列
            int leftup = dp[0]; // 暂存 dp[i-1, j-1]
            dp[0] = i;
            // 状态转移：其余列
            for (int j = 1; j <= m; j++) {
                int temp = dp[j];
                if (s.charAt(i - 1) == t.charAt(j - 1)) {
                    // 若两字符相等，则直接跳过此两字符
                    dp[j] = leftup;
                } else {
                    // 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
                    dp[j] = Math.min(Math.min(dp[j - 1], dp[j]), leftup) + 1;
                }
                leftup = temp; // 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
            }
        }
        return dp[m];
    }
    ```

=== "C++"

    ```cpp title="edit_distance.cpp"
    /* 编辑距离：状态压缩后的动态规划 */
    int editDistanceDPComp(string s, string t) {
        int n = s.length(), m = t.length();
        vector<int> dp(m + 1, 0);
        // 状态转移：首行
        for (int j = 1; j <= m; j++) {
            dp[j] = j;
        }
        // 状态转移：其余行
        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            // 状态转移：首列
            int leftup = dp[0]; // 暂存 dp[i-1, j-1]
            dp[0] = i;
            // 状态转移：其余列
            for (int j = 1; j <= m; j++) {
                int temp = dp[j];
                if (s[i - 1] == t[j - 1]) {
                    // 若两字符相等，则直接跳过此两字符
                    dp[j] = leftup;
                } else {
                    // 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
                    dp[j] = min(min(dp[j - 1], dp[j]), leftup) + 1;
                }
                leftup = temp; // 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
            }
        }
        return dp[m];
    }
    ```

=== "Python"

    ```python title="edit_distance.py"
    def edit_distance_dp_comp(s: str, t: str) -> int:
        """编辑距离：状态压缩后的动态规划"""
        n, m = len(s), len(t)
        dp = [0] * (m + 1)
        # 状态转移：首行
        for j in range(1, m + 1):
            dp[j] = j
        # 状态转移：其余行
        for i in range(1, n + 1):
            # 状态转移：首列
            leftup = dp[0]  # 暂存 dp[i-1, j-1]
            dp[0] += 1
            # 状态转移：其余列
            for j in range(1, m + 1):
                temp = dp[j]
                if s[i - 1] == t[j - 1]:
                    # 若两字符相等，则直接跳过此两字符
                    dp[j] = leftup
                else:
                    # 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
                    dp[j] = min(dp[j - 1], dp[j], leftup) + 1
                leftup = temp  # 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
        return dp[m]
    ```

=== "Go"

    ```go title="edit_distance.go"
    [class]{}-[func]{editDistanceDPComp}
    ```

=== "JavaScript"

    ```javascript title="edit_distance.js"
    [class]{}-[func]{editDistanceDPComp}
    ```

=== "TypeScript"

    ```typescript title="edit_distance.ts"
    [class]{}-[func]{editDistanceDPComp}
    ```

=== "C"

    ```c title="edit_distance.c"
    [class]{}-[func]{editDistanceDPComp}
    ```

=== "C#"

    ```csharp title="edit_distance.cs"
    /* 编辑距离：状态压缩后的动态规划 */
    int editDistanceDPComp(string s, string t) {
        int n = s.Length, m = t.Length;
        int[] dp = new int[m + 1];
        // 状态转移：首行
        for (int j = 1; j <= m; j++) {
            dp[j] = j;
        }
        // 状态转移：其余行
        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            // 状态转移：首列
            int leftup = dp[0]; // 暂存 dp[i-1, j-1]
            dp[0] = i;
            // 状态转移：其余列
            for (int j = 1; j <= m; j++) {
                int temp = dp[j];
                if (s[i - 1] == t[j - 1]) {
                    // 若两字符相等，则直接跳过此两字符
                    dp[j] = leftup;
                } else {
                    // 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
                    dp[j] = Math.Min(Math.Min(dp[j - 1], dp[j]), leftup) + 1;
                }
                leftup = temp; // 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
            }
        }
        return dp[m];
    }
    ```

=== "Swift"

    ```swift title="edit_distance.swift"
    [class]{}-[func]{editDistanceDPComp}
    ```

=== "Zig"

    ```zig title="edit_distance.zig"
    [class]{}-[func]{editDistanceDPComp}
    ```

=== "Dart"

    ```dart title="edit_distance.dart"
    [class]{}-[func]{editDistanceDPComp}
    ```