演算法導論 15-3 編輯距離
題目概述
有六種操作,分別是複製(copy)、替換(replace)、刪除(delete)、插入(insert)、交換(twiddle)、消滅(kill)。
將這六種操作任意組合(可以重複或者沒有)得到一個操作序列。
操作序列的輸入是一個字串,操作的輸出是另一個字串。
例如字串algorithm,經過以下操作序列,得到字串altruistic。
一個字串src,變成另一個字串dst,可以很多種方法。
題目要求對於給定的src和dst,找到一種最優的操作序列,包含最少的操作個數,使src變成dst。輸出這個操作序列。操作序列中操作的個數就是src到dst的編輯距離。
下面具體解釋這六種操作的內容即i和j的含義:
i是src的下標,j是dst的下標。操作開始前,i = j = 0。
令x為任意的字元
copy: dst[j] = src[i], i++, j++
replace: dst[j] = x, i++, j++
delete: i++
insert: dst[j] = x, j++
twiddle: dst[j] = src[i+1], dst[j+1] = src[i], i += 2, j += 2
kill: 消滅src中剩下的字元。如果執行這個操作,則它必是最的操作。
思考
對於DP問題,首先要想清楚的是初始化過遞推。題目中i和j的遞增給了很好的提示。
定義c[i,j]為src的子串src[0,i]變化為dst的子串dst[0,j]的過程的編輯距離。
那麼c[src.length(), dst.length()]即src到dst的編輯距離。
這裡只是希望操作的個數最少,在操作個數相同的情況下,用什麼操作是沒有差別的,即每個操作的代價是一樣的,即cost(operation) = 1
(1)初始化
c[0,0]=0
c[i,0] = i * cost(delete)
c[0,j] = j * cost(insert)
(2)遞推
令c[i, j] = a,根據每個operation的規則,有以下推理
copy: dst[j] = src[i], i++, j++ ==> c[i+1, j+1] = a + cost(copy)
replace: dst[j] = x, i++, j++ ==> c[i+1, j+1] = a + cost(replace)
delete: i++ ==> c[i+1, j] = a + cost(delete)
insert: dst[j] = x, j++ ==> c[i, j+1] = a + cost(insert)
twiddle: dst[j] = src[i+1], dst[j+1] = src[i], i += 2, j += 2 ==> c[i+2, j+2] = a + cost(twiddle)
kill: 消滅src中剩下的字元。如果執行這個操作,則它必是最的操作。
(3)反推
以上推理是基於現在的結果預測後面的結果。
然後現在的結果並不能決定後面的結果,但現在的結果一定來自於前面的結果。
因此要轉換思考方向,將遞推進行反推,這一步是DP的難點。
(4)最後的操作kill
c[i][j] = MIN(c[m,n], MIN(c[i,n]+cost(kill))), 其中0<=i
程式碼
DNA對齊問題
DNA對齊問題可以看作是帶權值的編輯距離問題。
在編輯距離問題中,所有的操作都看作是一樣,即cost(operation) = 1
現在把其中一操作加上權值,求最小值改成求最大值,就是DNA對齊問題了。
copy : 1
replace : -1
insert : -2
delete : 去掉
twiddle : 去掉
kill : 去掉
原題
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