--- comments: true --- # 13.3.   动态规划解题思路 上两节介绍了动态规划问题的主要特征,接下来我们一起探究两个更加实用的问题: 1. 如何判断一个问题是不是动态规划问题? 2. 求解动态规划问题该从何处入手,完整步骤是什么? ## 13.3.1.   问题判断 总的来说,如果一个问题包含重叠子问题、最优子结构,并满足无后效性,那么它通常就适合用动态规划求解,但我们很难从问题描述上直接提取出这些特性。因此我们通常会放宽条件,**先观察问题是否适合使用回溯(穷举)解决**。 **适合用回溯解决的问题通常满足“决策树模型”**,这种问题可以使用树形结构来描述,其中每一个节点代表一个决策,每一条路径代表一个决策序列。 换句话说,如果问题包含明确的决策概念,并且解是通过一系列决策产生的,那么它就满足决策树模型,通常可以使用回溯来解决。 在此基础上,还有一些判断问题是动态规划问题的“加分项”,包括: - 问题包含最大(小)或最多(少)等最优化描述; - 问题的状态能够使用一个列表、多维矩阵或树来表示,并且一个状态与其周围的状态存在某种递推关系; 而相应的“减分项”包括: - 问题的目标是找出所有可能的解决方案,而不是找出最优解。 - 问题描述中有明显的排列组合的特征,需要返回具体的多个方案。 如果一个问题满足决策树模型,并具有较为明显的“加分项“,我们就可以假设它是一个动态规划问题,并尝试求解它。 ## 13.3.2.   问题求解 动态规划的解题流程可能会因问题的性质和难度而有所不同,但通常遵循以下步骤:描述决策,定义状态,建立 $dp$ 表,推导状态转移方程,确定边界条件等。 为了更形象地展示解题步骤,我们使用一个经典问题「最小路径和」来举例。 !!! question 给定一个 $n \times m$ 的二维网格 `grid` ,网格中的每个单元格包含一个非负整数,表示该单元格的代价。机器人以左上角单元格为起始点,每次只能向下或者向右移动一步,直至到达右下角单元格。请返回从左上角到右下角的最小路径和。 例如以下示例数据,给定网格的最小路径和为 $13$ 。 ![最小路径和示例数据](dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_example.png)

Fig. 最小路径和示例数据

**第一步:思考每轮的决策,定义状态,从而得到 $dp$ 表** 本题的每一轮的决策就是从当前格子向下或向右一步。设当前格子的行列索引为 $[i, j]$ ,则向下或向右走一步后,索引变为 $[i+1, j]$ 或 $[i, j+1]$ 。因此,状态应包含行索引和列索引两个变量,记为 $[i, j]$ 。 状态 $[i, j]$ 对应的子问题为:从起始点 $[0, 0]$ 走到 $[i, j]$ 的最小路径和,解记为 $dp[i, j]$ 。 至此,我们就得到了一个二维 $dp$ 矩阵,其尺寸与输入网格 $grid$ 相同。 ![状态定义与 dp 表](dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_solution_step1.png)

Fig. 状态定义与 dp 表

!!! note 动态规划和回溯通常都会被描述为一个决策序列,而状态通常由所有决策变量构成。它应当包含描述解题进度的所有变量,其包含了足够的信息,能够用来推导出下一个状态。 每个状态都对应一个子问题,我们会定义一个 $dp$ 表来存储所有子问题的解,状态的每个独立变量都是 $dp$ 表的一个维度。本质上看,$dp$ 表是子问题的解和状态之间的映射。 **第二步:找出最优子结构,进而推导出状态转移方程** 对于状态 $[i, j]$ ,它只能从上边格子 $[i-1, j]$ 和左边格子 $[i, j-1]$ 转移而来。因此最优子结构为:到达 $[i, j]$ 的最小路径和由 $[i, j-1]$ 的最小路径和与 $[i-1, j]$ 的最小路径和,这两者较小的那一个决定。 根据以上分析,可推出以下状态转移方程: $$ dp[i, j] = \min(dp[i-1, j], dp[i, j-1]) + grid[i, j] $$ ![最优子结构与状态转移方程](dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_solution_step2.png)

Fig. 最优子结构与状态转移方程

!!! note 基于定义好的 $dp$ 表,我们思考原问题和子问题的关系,找出如何通过子问题的解来构造原问题的解。 最优子结构揭示了原问题和子问题的递推关系,一旦我们找到了最优子结构,就可以使用它来构建出状态转移方程。 **第三步:确定边界条件和状态转移顺序** 在本题中,当 $i=0$ 或 $j=0$ 时只有一种可能的路径,即只能向右移动或只能向下移动,因此首行和首列是边界条件。 每个格子是由其左方格子和上方格子转移而来,因此我们使用两层循环来遍历矩阵即可,即外循环正序遍历各行、内循环正序遍历各列。 ![边界条件与状态转移顺序](dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_solution_step3.png)

Fig. 边界条件与状态转移顺序

!!! note 边界条件即初始状态,在搜索中用于剪枝,在动态规划中用于初始化 $dp$ 表。状态转移顺序的核心是要保证在计算当前问题时,所有它依赖的更小子问题都已经被正确地计算出来。 最后,我们基于以上结果实现解法即可。熟练度较高同学可以直接写出动态规划解法,初学者可以按照“暴力搜索 $\rightarrow$ 记忆化搜索 $\rightarrow$ 动态规划” 的顺序实现。 ## 13.3.3.   方法一:暴力搜索 从状态 $[i, j]$ 开始搜索,不断分解为更小的状态 $[i-1, j]$ 和 $[i, j-1]$ ,包括以下递归要素: - **递归参数**:状态 $[i, j]$ ;**返回值**:从 $[0, 0]$ 到 $[i, j]$ 的最小路径和 $dp[i, j]$ ; - **终止条件**:当 $i = 0$ 且 $j = 0$ 时,返回代价 $grid[0][0]$ ; - **剪枝**:当 $i < 0$ 时或 $j < 0$ 时索引越界,此时返回代价 $+\infty$ ,代表不可行; === "Java" ```java title="min_path_sum.java" /* 最小路径和:暴力搜索 */ int minPathSumDFS(int[][] grid, int i, int j) { // 若为左上角单元格,则终止搜索 if (i == 0 && j == 0) { return grid[0][0]; } // 若行列索引越界,则返回 +∞ 代价 if (i < 0 || j < 0) { return Integer.MAX_VALUE; } // 计算从左上角到 (i-1, j) 和 (i, j-1) 的最小路径代价 int left = minPathSumDFS(grid, i - 1, j); int up = minPathSumDFS(grid, i, j - 1); // 返回从左上角到 (i, j) 的最小路径代价 return Math.min(left, up) + grid[i][j]; } ``` === "C++" ```cpp title="min_path_sum.cpp" /* 最小路径和:暴力搜索 */ int minPathSumDFS(vector> &grid, int i, int j) { // 若为左上角单元格,则终止搜索 if (i == 0 && j == 0) { return grid[0][0]; } // 若行列索引越界,则返回 +∞ 代价 if (i < 0 || j < 0) { return INT_MAX; } // 计算从左上角到 (i-1, j) 和 (i, j-1) 的最小路径代价 int left = minPathSumDFS(grid, i - 1, j); int up = minPathSumDFS(grid, i, j - 1); // 返回从左上角到 (i, j) 的最小路径代价 return min(left, up) != INT_MAX ? min(left, up) + grid[i][j] : INT_MAX; } ``` === "Python" ```python title="min_path_sum.py" def min_path_sum_dfs(grid: list[list[int]], i: int, j: int) -> int: """最小路径和:暴力搜索""" # 若为左上角单元格,则终止搜索 if i == 0 and j == 0: return grid[0][0] # 若行列索引越界,则返回 +∞ 代价 if i < 0 or j < 0: return inf # 计算从左上角到 (i-1, j) 和 (i, j-1) 的最小路径代价 left = min_path_sum_dfs(grid, i - 1, j) up = min_path_sum_dfs(grid, i, j - 1) # 返回从左上角到 (i, j) 的最小路径代价 return min(left, up) + grid[i][j] ``` === "Go" ```go title="min_path_sum.go" [class]{}-[func]{minPathSumDFS} ``` === "JavaScript" ```javascript title="min_path_sum.js" [class]{}-[func]{minPathSumDFS} ``` === "TypeScript" ```typescript title="min_path_sum.ts" [class]{}-[func]{minPathSumDFS} ``` === "C" ```c title="min_path_sum.c" [class]{}-[func]{minPathSumDFS} ``` === "C#" ```csharp title="min_path_sum.cs" /* 最小路径和:暴力搜索 */ int minPathSumDFS(int[][] grid, int i, int j) { // 若为左上角单元格,则终止搜索 if (i == 0 && j == 0){ return grid[0][0]; } // 若行列索引越界,则返回 +∞ 代价 if (i < 0 || j < 0) { return int.MaxValue; } // 计算从左上角到 (i-1, j) 和 (i, j-1) 的最小路径代价 int left = minPathSumDFS(grid, i - 1, j); int up = minPathSumDFS(grid, i, j - 1); // 返回从左上角到 (i, j) 的最小路径代价 return Math.Min(left, up) + grid[i][j]; } ``` === "Swift" ```swift title="min_path_sum.swift" [class]{}-[func]{minPathSumDFS} ``` === "Zig" ```zig title="min_path_sum.zig" [class]{}-[func]{minPathSumDFS} ``` === "Dart" ```dart title="min_path_sum.dart" [class]{}-[func]{minPathSumDFS} ``` 我们尝试画出以 $dp[2, 1]$ 为根节点的递归树。观察下图,递归树包含一些重叠子问题,其数量会随着网格 `grid` 的尺寸变大而急剧增多。 直观上看,**存在多条路径可以从左上角到达同一单元格**,这便是该问题存在重叠子问题的内在原因。 ![暴力搜索递归树](dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_dfs.png)

Fig. 暴力搜索递归树

每个状态都有向下和向右两种选择,从左上角走到右下角总共需要 $m + n - 2$ 步,所以最差时间复杂度为 $O(2^{m + n})$ 。请注意,这种计算方式未考虑临近网格边界的情况,当到达网络边界时只剩下一种选择。因此实际的路径数量会少一些。 ## 13.3.4.   方法二:记忆化搜索 为了避免重复计算重叠子问题,我们引入一个和网格 `grid` 相同尺寸的记忆列表 `mem` ,用于记录各个子问题的解,提升搜索效率。 === "Java" ```java title="min_path_sum.java" /* 最小路径和:记忆化搜索 */ int minPathSumDFSMem(int[][] grid, int[][] mem, int i, int j) { // 若为左上角单元格,则终止搜索 if (i == 0 && j == 0) { return grid[0][0]; } // 若行列索引越界,则返回 +∞ 代价 if (i < 0 || j < 0) { return Integer.MAX_VALUE; } // 若已有记录,则直接返回 if (mem[i][j] != -1) { return mem[i][j]; } // 左边和上边单元格的最小路径代价 int left = minPathSumDFSMem(grid, mem, i - 1, j); int up = minPathSumDFSMem(grid, mem, i, j - 1); // 记录并返回左上角到 (i, j) 的最小路径代价 mem[i][j] = Math.min(left, up) + grid[i][j]; return mem[i][j]; } ``` === "C++" ```cpp title="min_path_sum.cpp" /* 最小路径和:记忆化搜索 */ int minPathSumDFSMem(vector> &grid, vector> &mem, int i, int j) { // 若为左上角单元格,则终止搜索 if (i == 0 && j == 0) { return grid[0][0]; } // 若行列索引越界,则返回 +∞ 代价 if (i < 0 || j < 0) { return INT_MAX; } // 若已有记录,则直接返回 if (mem[i][j] != -1) { return mem[i][j]; } // 左边和上边单元格的最小路径代价 int left = minPathSumDFSMem(grid, mem, i - 1, j); int up = minPathSumDFSMem(grid, mem, i, j - 1); // 记录并返回左上角到 (i, j) 的最小路径代价 mem[i][j] = min(left, up) != INT_MAX ? min(left, up) + grid[i][j] : INT_MAX; return mem[i][j]; } ``` === "Python" ```python title="min_path_sum.py" def min_path_sum_dfs_mem( grid: list[list[int]], mem: list[list[int]], i: int, j: int ) -> int: """最小路径和:记忆化搜索""" # 若为左上角单元格,则终止搜索 if i == 0 and j == 0: return grid[0][0] # 若行列索引越界,则返回 +∞ 代价 if i < 0 or j < 0: return inf # 若已有记录,则直接返回 if mem[i][j] != -1: return mem[i][j] # 左边和上边单元格的最小路径代价 left = min_path_sum_dfs_mem(grid, mem, i - 1, j) up = min_path_sum_dfs_mem(grid, mem, i, j - 1) # 记录并返回左上角到 (i, j) 的最小路径代价 mem[i][j] = min(left, up) + grid[i][j] return mem[i][j] ``` === "Go" ```go title="min_path_sum.go" [class]{}-[func]{minPathSumDFSMem} ``` === "JavaScript" ```javascript title="min_path_sum.js" [class]{}-[func]{minPathSumDFSMem} ``` === "TypeScript" ```typescript title="min_path_sum.ts" [class]{}-[func]{minPathSumDFSMem} ``` === "C" ```c title="min_path_sum.c" [class]{}-[func]{minPathSumDFSMem} ``` === "C#" ```csharp title="min_path_sum.cs" /* 最小路径和:记忆化搜索 */ int minPathSumDFSMem(int[][] grid, int[][] mem, int i, int j) { // 若为左上角单元格,则终止搜索 if (i == 0 && j == 0) { return grid[0][0]; } // 若行列索引越界,则返回 +∞ 代价 if (i < 0 || j < 0) { return int.MaxValue; } // 若已有记录,则直接返回 if (mem[i][j] != -1) { return mem[i][j]; } // 左边和上边单元格的最小路径代价 int left = minPathSumDFSMem(grid, mem, i - 1, j); int up = minPathSumDFSMem(grid, mem, i, j - 1); // 记录并返回左上角到 (i, j) 的最小路径代价 mem[i][j] = Math.Min(left, up) + grid[i][j]; return mem[i][j]; } ``` === "Swift" ```swift title="min_path_sum.swift" [class]{}-[func]{minPathSumDFSMem} ``` === "Zig" ```zig title="min_path_sum.zig" [class]{}-[func]{minPathSumDFSMem} ``` === "Dart" ```dart title="min_path_sum.dart" [class]{}-[func]{minPathSumDFSMem} ``` 如下图所示,引入记忆化可以消除所有重复计算,时间复杂度取决于状态总数,即网格尺寸 $O(nm)$ 。 ![记忆化搜索递归树](dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_dfs_mem.png)

Fig. 记忆化搜索递归树

## 13.3.5.   方法三:动态规划 动态规划代码是从底至顶的,仅需循环即可实现。 === "Java" ```java title="min_path_sum.java" /* 最小路径和:动态规划 */ int minPathSumDP(int[][] grid) { int n = grid.length, m = grid[0].length; // 初始化 dp 表 int[][] dp = new int[n][m]; dp[0][0] = grid[0][0]; // 状态转移:首行 for (int j = 1; j < m; j++) { dp[0][j] = dp[0][j - 1] + grid[0][j]; } // 状态转移:首列 for (int i = 1; i < n; i++) { dp[i][0] = dp[i - 1][0] + grid[i][0]; } // 状态转移:其余行列 for (int i = 1; i < n; i++) { for (int j = 1; j < m; j++) { dp[i][j] = Math.min(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j]) + grid[i][j]; } } return dp[n - 1][m - 1]; } ``` === "C++" ```cpp title="min_path_sum.cpp" /* 最小路径和:动态规划 */ int minPathSumDP(vector> &grid) { int n = grid.size(), m = grid[0].size(); // 初始化 dp 表 vector> dp(n, vector(m)); dp[0][0] = grid[0][0]; // 状态转移:首行 for (int j = 1; j < m; j++) { dp[0][j] = dp[0][j - 1] + grid[0][j]; } // 状态转移:首列 for (int i = 1; i < n; i++) { dp[i][0] = dp[i - 1][0] + grid[i][0]; } // 状态转移:其余行列 for (int i = 1; i < n; i++) { for (int j = 1; j < m; j++) { dp[i][j] = min(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j]) + grid[i][j]; } } return dp[n - 1][m - 1]; } ``` === "Python" ```python title="min_path_sum.py" def min_path_sum_dp(grid: list[list[int]]) -> int: """最小路径和:动态规划""" n, m = len(grid), len(grid[0]) # 初始化 dp 表 dp = [[0] * m for _ in range(n)] dp[0][0] = grid[0][0] # 状态转移:首行 for j in range(1, m): dp[0][j] = dp[0][j - 1] + grid[0][j] # 状态转移:首列 for i in range(1, n): dp[i][0] = dp[i - 1][0] + grid[i][0] # 状态转移:其余行列 for i in range(1, n): for j in range(1, m): dp[i][j] = min(dp[i][j - 1], dp[i - 1][j]) + grid[i][j] return dp[n - 1][m - 1] ``` === "Go" ```go title="min_path_sum.go" [class]{}-[func]{minPathSumDP} ``` === "JavaScript" ```javascript title="min_path_sum.js" [class]{}-[func]{minPathSumDP} ``` === "TypeScript" ```typescript title="min_path_sum.ts" [class]{}-[func]{minPathSumDP} ``` === "C" ```c title="min_path_sum.c" [class]{}-[func]{minPathSumDP} ``` === "C#" ```csharp title="min_path_sum.cs" /* 最小路径和:动态规划 */ int minPathSumDP(int[][] grid) { int n = grid.Length, m = grid[0].Length; // 初始化 dp 表 int[,] dp = new int[n, m]; dp[0, 0] = grid[0][0]; // 状态转移:首行 for (int j = 1; j < m; j++) { dp[0, j] = dp[0, j - 1] + grid[0][j]; } // 状态转移:首列 for (int i = 1; i < n; i++) { dp[i, 0] = dp[i - 1, 0] + grid[i][0]; } // 状态转移:其余行列 for (int i = 1; i < n; i++) { for (int j = 1; j < m; j++) { dp[i, j] = Math.Min(dp[i, j - 1], dp[i - 1, j]) + grid[i][j]; } } return dp[n - 1, m - 1]; } ``` === "Swift" ```swift title="min_path_sum.swift" [class]{}-[func]{minPathSumDP} ``` === "Zig" ```zig title="min_path_sum.zig" [class]{}-[func]{minPathSumDP} ``` === "Dart" ```dart title="min_path_sum.dart" [class]{}-[func]{minPathSumDP} ``` 下图展示了最小路径和的状态转移过程。该过程遍历了整个网格,因此时间复杂度为 $O(nm)$ ;数组 `dp` 使用 $O(nm)$ 空间。 === "<1>" ![最小路径和的动态规划过程](dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_dp_step1.png) === "<2>" ![min_path_sum_dp_step2](dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_dp_step2.png) === "<3>" ![min_path_sum_dp_step3](dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_dp_step3.png) === "<4>" ![min_path_sum_dp_step4](dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_dp_step4.png) === "<5>" ![min_path_sum_dp_step5](dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_dp_step5.png) === "<6>" ![min_path_sum_dp_step6](dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_dp_step6.png) === "<7>" ![min_path_sum_dp_step7](dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_dp_step7.png) === "<8>" ![min_path_sum_dp_step8](dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_dp_step8.png) === "<9>" ![min_path_sum_dp_step9](dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_dp_step9.png) === "<10>" ![min_path_sum_dp_step10](dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_dp_step10.png) === "<11>" ![min_path_sum_dp_step11](dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_dp_step11.png) === "<12>" ![min_path_sum_dp_step12](dp_solution_pipeline.assets/min_path_sum_dp_step12.png) 如果希望进一步节省空间使用,可以考虑进行状态压缩。每个格子只与左边和上边的格子有关,因此我们可以只用一个单行数组来实现 $dp$ 表。 由于数组 `dp` 只能表示一行的状态,因此我们无法提前初始化首列状态,而是在遍历每行中更新它。 === "Java" ```java title="min_path_sum.java" /* 最小路径和:状态压缩后的动态规划 */ int minPathSumDPComp(int[][] grid) { int n = grid.length, m = grid[0].length; // 初始化 dp 表 int[] dp = new int[m]; // 状态转移:首行 dp[0] = grid[0][0]; for (int j = 1; j < m; j++) { dp[j] = dp[j - 1] + grid[0][j]; } // 状态转移:其余行 for (int i = 1; i < n; i++) { // 状态转移:首列 dp[0] = dp[0] + grid[i][0]; // 状态转移:其余列 for (int j = 1; j < m; j++) { dp[j] = Math.min(dp[j - 1], dp[j]) + grid[i][j]; } } return dp[m - 1]; } ``` === "C++" ```cpp title="min_path_sum.cpp" /* 最小路径和:状态压缩后的动态规划 */ int minPathSumDPComp(vector> &grid) { int n = grid.size(), m = grid[0].size(); // 初始化 dp 表 vector dp(m); // 状态转移:首行 dp[0] = grid[0][0]; for (int j = 1; j < m; j++) { dp[j] = dp[j - 1] + grid[0][j]; } // 状态转移:其余行 for (int i = 1; i < n; i++) { // 状态转移:首列 dp[0] = dp[0] + grid[i][0]; // 状态转移:其余列 for (int j = 1; j < m; j++) { dp[j] = min(dp[j - 1], dp[j]) + grid[i][j]; } } return dp[m - 1]; } ``` === "Python" ```python title="min_path_sum.py" def min_path_sum_dp_comp(grid: list[list[int]]) -> int: """最小路径和:状态压缩后的动态规划""" n, m = len(grid), len(grid[0]) # 初始化 dp 表 dp = [0] * m # 状态转移:首行 dp[0] = grid[0][0] for j in range(1, m): dp[j] = dp[j - 1] + grid[0][j] # 状态转移:其余行 for i in range(1, n): # 状态转移:首列 dp[0] = dp[0] + grid[i][0] # 状态转移:其余列 for j in range(1, m): dp[j] = min(dp[j - 1], dp[j]) + grid[i][j] return dp[m - 1] ``` === "Go" ```go title="min_path_sum.go" [class]{}-[func]{minPathSumDPComp} ``` === "JavaScript" ```javascript title="min_path_sum.js" [class]{}-[func]{minPathSumDPComp} ``` === "TypeScript" ```typescript title="min_path_sum.ts" [class]{}-[func]{minPathSumDPComp} ``` === "C" ```c title="min_path_sum.c" [class]{}-[func]{minPathSumDPComp} ``` === "C#" ```csharp title="min_path_sum.cs" /* 最小路径和:状态压缩后的动态规划 */ int minPathSumDPComp(int[][] grid) { int n = grid.Length, m = grid[0].Length; // 初始化 dp 表 int[] dp = new int[m]; dp[0] = grid[0][0]; // 状态转移:首行 for (int j = 1; j < m; j++) { dp[j] = dp[j - 1] + grid[0][j]; } // 状态转移:其余行 for (int i = 1; i < n; i++) { // 状态转移:首列 dp[0] = dp[0] + grid[i][0]; // 状态转移:其余列 for (int j = 1; j < m; j++) { dp[j] = Math.Min(dp[j - 1], dp[j]) + grid[i][j]; } } return dp[m - 1]; } ``` === "Swift" ```swift title="min_path_sum.swift" [class]{}-[func]{minPathSumDPComp} ``` === "Zig" ```zig title="min_path_sum.zig" [class]{}-[func]{minPathSumDPComp} ``` === "Dart" ```dart title="min_path_sum.dart" [class]{}-[func]{minPathSumDPComp} ```