Динамическое Программирование: Пролог

Revision ru2, by rembocoder, 2022-05-05 17:29:39

Здравствуйте. Это пролог к моим предыдущим постам, в котором я коротко введу читателя в терминологию динамического программирования. Это не исчерпывающий гайд, а лишь вступление, чтобы у неподготовленного читателя могла сложиться полная картина, какой её вижу я.

Базовые определения

Динамическое программирование – способ решения задачи путём её параметризации таким образом, чтобы ответ на задачу при одних значениях параметров помогал в нахождении ответа при других значениях параметров – а затем нахождения ответа при всех допустимых значениях параметров.

Состояние ДП – конкретный набор значений для каждого параметра (конкретная подзадача).

Значение ДП – ответ для конкретного состояния (подзадачи).

Переход из состояния A в состояние B – пометка, означающая, что для того, чтобы узнать значение для состояния B, требуется знать ответ для состояния A.

Реализовать переход из A в B – некое действие, проводимое, когда ответ для состояния A уже известен, удовлетворяющее условию: если реализовать все переходы, ведущие в B, то мы узнаем ответ для B. Само действие может отличаться от задачи к задаче.

Базовое состояние ДП – состояние, в которое нет переходов. Ответ для такого состояния ищется напрямую.

Граф ДП – граф, в котором каждая вершина соответствует состоянию, а каждое ребро – переходу.

Вычисление

Чтобы решить задачу, необходимо составить граф ДП – определиться, какие имеются переходы и как их реализовывать. Само собой, в графе ДП не должно быть циклов. Затем нужно найти ответ для всех базовых состояний и начать реализовывать переходы.

Мы можем реализовывать переходы в любом порядке, если выполняется следующее правило: не реализуйте переход из состояния A раньше перехода в состояние A. Но чаще всего используются два способа: с переходами назад и с переходами вперёд.

Реализация с переходами назад – проходим по всем вершинам в порядке топологической сортировки и для каждой фиксированной вершины реализуем все переходы в неё. Иными словами, на каждом шаге берём не посчитанное состояние и считаем для него ответ.

Реализация с переходами вперёд – проходим по всем вершинам в порядке топологической сортировки и для каждой фиксированной вершины реализуем все переходы из неё. Иными словами, на каждом шаге берём посчитанное состояние и реализуем переходы из него.

В разных случаях удобны разные способы реализации переходов, в том числе можно использовать и "кастомные".

Пример

В отличие от предыдущих постов, я не буду углубляться в то, как придумать решение, лишь продемонстрирую введённые понятия в действии.

AtCoder DP Contest: Задача K Два игрока по очереди достают из кучи камни, за один ход можно достать a[0], ..., a[n - 2] или a[n - 1] камней. Изначально в куче k камней. Кто выигрывает при оптимальное игре?

Параметром ДП будет i – сколько камней изначально находится в куче. Значением ДП будет 1, если в этой подзадаче выигрывает первый игрок, иначе – 0. Ответы будут храниться в массиве dp[i]. Зачастую само состояние i = x для краткости обозначается dp[x], я тоже буду пользоваться этим обозначением.

Назовём позицию выигрышной, если из неё побеждает тот, чей ход. Позиция выигрышная тогда и только тогда, когда из неё есть ход в проигрышную, т. е.dp[i] = 1 если для какого-то j (0 <= j < n, a[j] <= i) dp[i - a[j]] = 0, иначе dp[i] = 0.

Таким образом, будут существовать переходы из dp[i - a[j]] в dp[i] для всех i и j (a[j] <= i <= k, 0 <= j < n). Реализацией перехода в данном случае будет если dp[i - a[j]] = 0, присвоить dp[i] = 1. По умолчанию каждое состояние считается проигрышным (dp[i] = 0).

Базовым состоянием в данном случае будет dp[0] = 0. Граф динамики в случае k = 5, a = {2, 3}:

В этом коде я использую реализацию с переходами назад.

Нажмите, чтобы увидеть реализацию

Другой пример

AtCoder DP Contest: Задача I Есть n монет, i-я монета падает решкой с вероятностью p[i]. Найти вероятность, что число решек будет больше числа орлов, если подбросить все монеты по одному разу.

Параметрами ДП будет i – сколько первых монет мы рассматриваем, и j – сколько должны выпасть решкой. Значением ДП будет вероятность, что ровно j упадут решкой, если подбросить первые i монет, оно будет храниться в массиве dp[i][j].

При i > 0 возможны два исхода, как могло выпасть j монет решкой: либо среди первых i - 1 выпадет решкой j - 1 и следующая тоже выпадет решкой: это возможно при j > 0, вероятность этого dp[i - 1][j - 1] * p[i - 1]; либо среди первых i - 1 выпадет решкой j, а следующая не выпадет решкой: это возможно при j < i, вероятность этого dp[i - 1][j] * (1 - p[i - 1]). dp[i][j] будет суммой этих двух вероятностей.

Таким образом, будут существовать переходы из dp[i][j] в dp[i + 1][j + 1] и в dp[i + 1][j] для всех i и j (0 <= i < n, 0 <= j <= i). Реализацией перехода из A в B в данном случае будет прибавить ответ для состояния A, помноженный на вероятность данного перехода, к ответу для состояния B. По умолчанию вероятность попасть в каждое состояние считается равным 0 (dp[i][j] = 0).

_Это решение использует подход с симуляцией процесса, чтобы лучше его понять, читайте мой пост.

Вкратце:

Базовым состоянием в данном случае будет dp[0][0] = 1. Граф динамики в случае n = 3:

В этом коде я использую реализацию с переходами вперёд.

Нажмите, чтобы увидеть реализацию

Заключение

После прочтения этой статьи я советую прочитать мои предыдущие два поста. В них я рассказываю про два вида динамического программирования, и это разделение мне кажется принципиальным для дальнейшего понимания.

Два вида динамического программирования: Симуляция процесса

Как решать задачи на ДП: Обычный подход

Если хотите узнать больше, я напоминаю, что даю частные уроки по спортивному программированию, цена – $25/ч. Пишите мне в Telegram, Discord: rembocoder#3782, или в личные сообщения на CF.

Tags дп, динамика, динамическое

History

 
 
 
 
Revisions
 
 
  Rev. Lang. By When Δ Comment
en10 English rembocoder 2022-05-05 18:51:45 0 (published)
ru8 Russian rembocoder 2022-05-05 18:51:27 0 (опубликовано)
ru7 Russian rembocoder 2022-05-05 18:46:59 276
en9 English rembocoder 2022-05-05 18:42:37 8
en8 English rembocoder 2022-05-05 18:41:29 10
en7 English rembocoder 2022-05-05 18:40:17 2
en6 English rembocoder 2022-05-05 18:39:32 46
en5 English rembocoder 2022-05-05 18:37:53 1 Tiny change: 'of the DP* will be ' -> 'of the DP** will be '
en4 English rembocoder 2022-05-05 18:37:27 98
en3 English rembocoder 2022-05-05 18:29:31 9
en2 English rembocoder 2022-05-05 18:28:43 284
en1 English rembocoder 2022-05-05 18:17:59 8664 Initial revision for English translation (saved to drafts)
ru6 Russian rembocoder 2022-05-05 18:12:17 5
ru5 Russian rembocoder 2022-05-05 18:08:15 216
ru4 Russian rembocoder 2022-05-05 17:32:38 1 Мелкая правка: 'рЗдравствуй' -> 'Здравствуй'
ru3 Russian rembocoder 2022-05-05 17:32:08 9
ru2 Russian rembocoder 2022-05-05 17:29:39 147
ru1 Russian rembocoder 2022-05-05 17:21:44 8507 Первая редакция (сохранено в черновиках)