动态规划 String Edits and Alignments

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动态规划

动态规划

多阶段决策问题中,各个阶段采取的决策,一般来说是与时间有关的,决策依赖于当前状态,又随即引起状 态的转移,一个决策序列就是在变化的状态中产生出来的,故有“动态”的含义,称这种解决多阶段决策最优化 问题的方法为动态规划方法 。
任何思想方法都有一定的局限性,超出了特定条件,它就失去了作用。同样,动态规划也并不是万能的。适 用动态规划的问题必须满足最优化原理和无后效性 。
动态规划
运筹学的分支
01 原理
03 局限性
目录
02 分类
动态规划(Dynamic Programming,DP)是运筹学的一个分支,是求解决策过程最优化的过程。20世纪50年 代初,美国数学家贝尔曼(R.Bellman)等人在研究多阶段决策过程的优化问题时,提出了著名的最优化原理, 从而创立了动态规划。动态规划的应用极其广泛,包括工程技术、经济、工业生产、军事以及自动化控制等领域, 并在背包问题、生产经营问题、资金管理问题、资源分配问题、最短路径问题和复杂系统可靠性问题等中取得了 显著的效果 。
最优化原理可这样阐述:一个最优化策略具有这样的性质,不论过去状态和决策如何,对前面的决策所形成 的状态而言,余下的诸决策必须构成最优策略。简而言之,一个最优化策略的子策略总是最优的。一个问题满足 最优化原理又称其具有最优子结构性质 。
将各阶段按照一定的次序排列好之后,对于某个给定的阶段状态,它以前各阶段的状态无法直接影响它未来 的决策,而只能通过当前的这个状态。换句话说,每个状态都是过去历史的一个完整总结。这就是无后向性,又 称为无后效性 。
状态:状态表示每个阶段开始面临的自然状况或客观条件,它不以人们的主观意志为转移,也称为不可控因 素。在上面的例子中状态就是某阶段的出发位置,它既是该阶段某路的起点,同时又是前一阶段某支路的终点 。

第6章动态规划

第6章动态规划

第6章 动态规划动态规划(Dynamic Programming )是解决多阶段决策过程最优化的一种有用的数学方法。

它是由美国学者Richard .Bellman 在1951年提出的,1957年他的专著《动态规划》一书问世,标志着运筹学的一个重要分支-动态规划的诞生.动态规划也是一种将多变量问题转化为单变量问题的一种方法。

在动态规划中,把困难的多阶段决策问题变换成一系列相互联系的比较容易的单阶段问题一个个地求解。

动态规划是考察解决问题的一种途径 ,而不是一种特殊的算法,不像线性规划那样有统一的数学模型和算法(如单纯形法).事实上,在运用其解决问题的过程中还需要运用其它的优化算法。

因此,动态规划不像其它方法局限于解决某一类问题,它可以解决各类多阶段决策问题。

动态规划在工程技术、经济管理等社会各个领域都有着广泛的应用,并且获得了显著的效果。

在经济管理方面,动态规划可以用来解决最优路径问题、资源分配问题、生产调度问题、库存管理问题、排序问题、设备更新问题以及生产过程最优控制问题等,是经济管理中一种重要的决策技术。

许多规划问题用动态规划的方法来处理,常比线性规划或非线性规划更有效。

特别是对于离散的问题,由于解析数学无法发挥作用,动态规划便成为了一种非常有用的工具。

动态规划可以按照决策过程的演变是否确定分为确定性动态规划和随机性动态规划;也可以按照决策变量的取值是否连续分为连续性动态规划和离散性动态规划。

本教材主要介绍动态规划的基本概念、理论和方法,并通过典型的案例说明这些理论和方法的应用。

6.1动态规划的基本理论6.1.1多阶段决策过程的数学描述有这样一类活动过程,其整个过程可分为若干相互联系的阶段,每一阶段都要作出相应的决策,以使整个过程达到最佳的活动效果。

任何一个阶段(stage ,即决策点)都是由输入(input )、决策(decision )、状态转移律(transformation function )和输出(output )构成的,如图6-1(a )所示.其中输入和输出也称为状态(state ),输入称为输入状态,输出称为输出状态。

动态规划的基本原理和基本应用

动态规划的基本原理和基本应用

动态规划的基本原理和基本应用动态规划(Dynamic Programming)是一种通过将一个问题分解为较小的子问题并存储子问题的解来解决复杂问题的方法。

动态规划的基本原理是通过记忆化或自底向上的迭代方式来求解问题,以减少不必要的重复计算。

它在计算机科学和数学中具有广泛的应用,尤其是在优化、组合数学和操作研究等领域。

1.确定最优子结构:将原问题分解为较小的子问题,并且子问题的最优解能够推导出原问题的最优解。

2.定义状态:确定存储子问题解的状态变量和状态方程。

3.确定边界条件:确定初始子问题的解,也称为边界状态。

4.递推计算:利用状态方程将子问题的解计算出来,并存储在状态变量中。

5.求解最优解:通过遍历状态变量找到最优解。

1.背包问题:背包问题是动态规划的经典应用之一、它有多种变体,其中最基本的是0/1背包问题,即在限定容量的背包中选择物品,使得所选物品的总价值最大。

可以使用动态规划的思想来解决背包问题,确定状态为背包容量和可选物品,递推计算每个状态下的最优解。

2. 最长递增子序列:最长递增子序列(Longest Increasing Subsequence)是一种常见的子序列问题。

给定一个序列,找到其中最长的递增子序列。

可以使用动态规划来解决这个问题,状态可以定义为以第i个元素为结尾的最长递增子序列的长度,并递推计算每个状态的解。

3.矩阵链乘法:矩阵链乘法是一种优化矩阵连乘计算的方法。

给定一系列矩阵,求解它们相乘的最小计算次数。

可以使用动态规划解决矩阵链乘法问题,状态可以定义为矩阵链的起始和结束位置,递推计算每个状态下最小计算次数。

4.最短路径问题:最短路径问题是在有向图或无向图中找到两个节点之间最短路径的问题。

可以使用动态规划解决最短路径问题,状态可以定义为起始节点到一些节点的最短距离,递推计算每个状态的最优解。

动态规划算法的详细原理及使用案例

动态规划算法的详细原理及使用案例

动态规划算法的详细原理及使用案例一、引言动态规划是一种求解最优化问题的算法,它具有广泛的应用领域,如机器学习、图像处理、自然语言处理等。

本文将详细介绍动态规划算法的原理,并提供一些使用案例,以帮助读者理解和应用这一算法的具体过程。

二、动态规划的基本原理动态规划算法通过将问题分解为多个子问题,并利用已解决子问题的解来求解更大规模的问题。

其核心思想是利用存储技术来避免重复计算,从而大大提高计算效率。

具体来说,动态规划算法通常包含以下步骤:1. 定义子问题:将原问题分解为若干个子问题,这些子问题具有相同的结构,但规模更小。

这种分解可以通过递归的方式进行。

2. 定义状态:确定每个子问题的独立变量,即问题的状态。

状态具有明确的定义和可计算的表达式。

3. 确定状态转移方程:根据子问题之间的关系,建立状态之间的转移方程。

这个方程可以是简单的递推关系式、递归方程或其他形式的方程。

4. 解决问题:使用递推或其他方法,根据状态转移方程求解每个子问题,直到获得最终解。

三、动态规划的使用案例1. 背包问题背包问题是动态规划算法的经典案例之一。

假设有一个背包,它能容纳一定重量的物品,每个物品有对应的价值。

目的是在不超过背包总重量的前提下,选取最有价值的物品装入背包。

这个问题可以通过动态规划算法来求解。

具体步骤如下:(1)定义问题:在不超过背包容量的限制下,选取物品使得总价值最大化。

(2)定义状态:令dp[i][j]表示将前i个物品放入容量为j的背包中所能获得的最大价值。

(3)状态转移方程:dp[i][j] = max(dp[i-1][j-w[i]]+v[i], dp[i-1][j]),其中w[i]为第i个物品的重量,v[i]为第i个物品的价值。

(4)解决问题:根据状态转移方程依次计算每个子问题的解,并记录最优解,直到获得最终答案。

2. 最长公共子序列最长公共子序列(Longest Common Subsequence,简称LCS)是一种经典的动态规划问题,它用于确定两个字符串中最长的共同子序列。

动态规划的基本概念与方法

动态规划的基本概念与方法

动态规划的基本概念与方法动态规划(Dynamic Programming,简称DP)是解决一类最优化问题的一种方法,也是算法设计中的重要思想。

动态规划常用于具有重叠子问题和最优子结构性质的问题。

它将问题分解为子问题,并通过求解子问题的最优解来得到原问题的最优解。

动态规划的基本概念是“最优子结构”。

也就是说,一个问题的最优解可以由其子问题的最优解推导出来。

通过分解问题为若干个子问题,可以形成一个递归的求解过程。

为了避免重复计算,动态规划使用一个表格来保存已经计算过的子问题的解,以便后续直接利用。

这个表格也被称为“记忆化表”或“DP表”。

动态规划的基本方法是“状态转移”。

状态转移指的是,通过已求解的子问题的解推导出更大规模子问题的解。

常用的状态转移方程可以通过问题的递推关系定义。

通过定义好状态转移方程,可以通过迭代的方式一步步求解问题的最优解。

在动态规划中,通常需要三个步骤来解决问题。

第一步,定义子问题。

将原问题划分为若干个子问题。

这些子问题通常与原问题具有相同的结构,只是规模更小。

例如,对于计算斐波那契数列的问题,可以定义子问题为计算第n个斐波那契数。

第二步,确定状态。

状态是求解问题所需要的所有变量的集合。

子问题的解需要用到的变量就是状态。

也就是说,状态是问题(解决方案)所需要的信息。

第三步,确定状态转移方程。

状态转移方程通过已求解的子问题的解推导出更大规模子问题的解。

通常情况下,状态转移方程可以通过问题的递推关系确定。

在实际应用中,动态规划常用于求解最优化问题。

最优化问题可以归纳为两类:一类是最大化问题,另一类是最小化问题。

例如,最长递增子序列问题是一个典型的最大化问题,而背包问题是一个典型的最小化问题。

动态规划的优势在于可以解决许多复杂问题,并且具有可行的计算复杂度。

但是,动态规划也有一些限制。

首先,动态规划要求问题具有重叠子问题和最优子结构性质,不是所有问题都能够满足这两个条件。

其次,动态规划需要存储计算过的子问题的解,对于一些问题来说,存储空间可能会非常大。

Dynamic Programming Sequence alignment:动态规划序列比对

Dynamic Programming Sequence alignment:动态规划序列比对

j
0
1
source
0
1
i
5
1 S0,1 = 1
1
5 S1,0 = 5
• Calculate optimal path score for each vertex in the graph
• Each vertex’s score is the maximum of the prior vertices score plus the weight of the respective edge in between
Imagine seeking a path (from source to sink) to travel (only eastward and southward) with the most number of attractions (*) in the Manhattan grid
Source
Role for Bioinformatics
• Gene similarities between two genes with known and unknown function alert biologists to some possibilities
• Computing a similarity score between two genes tells how likely it is that they have similar functions
**
*
*
*
** * * ** *
Sink
Dynamic programming example: Manhattan Tourist Problem
Imagine seeking a path (from source to sink) to travel (only eastward and southward) with the most number of attractions (*) in the Manhattan grid

动态规划问题常见解法

动态规划问题常见解法

动态规划问题常见解法
动态规划是一种高效解决优化问题的方法。

它通常用于涉及最
优化问题和最短路径的计算中。

下面是一些常见的动态规划问题解法:
1. 背包问题
背包问题是动态规划中的经典问题之一。

其目标是在给定的背
包容量下,选择一些物品放入背包中,使得物品总价值最大。

解决
这个问题的常见方法是使用动态规划的思想,定义一个二维数组来
记录每个物品放入背包时的最大价值,然后逐步计算出最终的结果。

2. 最长公共子序列问题
最长公共子序列问题是寻找两个字符串中最长的公共子序列的
问题。

解决这个问题的常见方法是使用动态规划的思想,定义一个
二维数组来记录两个字符串中每个位置的最长公共子序列的长度。

然后通过递推关系来计算出最终的结果。

3. 矩阵链乘法问题
矩阵链乘法问题是计算一系列矩阵相乘的最佳顺序的问题。


决这个问题的常见方法是使用动态规划的思想,定义一个二维数组
来记录每个矩阵相乘时的最小乘法次数,然后逐步计算出最终的结果。

4. 最长递增子序列问题
最长递增子序列问题是寻找一个序列中最长的递增子序列的问题。

解决这个问题的常见方法是使用动态规划的思想,定义一个一
维数组来记录每个位置处的最长递增子序列的长度,然后通过递推
关系来计算出最终的结果。

以上是一些常见的动态规划问题解法。

通过灵活运用这些方法,我们可以更高效地解决优化问题和最短路径计算等相关任务。

动态规划问题

动态规划问题

动态规划问题动态规划(Dynamic Programming)是一种通过拆分问题为较小子问题来解决复杂问题的算法思想。

在计算机科学中,动态规划经常被用于最优化问题。

动态规划的基本思想动态规划通常用于解决具有重叠子问题和最优子结构的问题。

重叠子问题意味着问题可以被分解为多个重叠子问题,而最优子结构意味着问题的最优解可以通过子问题的最优解来计算。

动态规划的基本思想是将大问题分解为小问题,并依次求解小问题的最优解,然后将这些最优解组合起来得到大问题的最优解。

在动态规划的过程中,通常会使用表格或数组来保存子问题的计算结果,以便在下一次遇到相同子问题时直接查表得出最优解。

动态规划的应用动态规划广泛应用于诸如优化、序列匹配、最短路径等领域。

以下是一些典型应用场景:•背包问题:给定一个背包容量和一组物品,每个物品有自己的价值和重量,求解如何在不超过背包容量的情况下使得装入背包的物品价值最大化。

•最长公共子序列:给定两个序列,求解这两个序列最长的公共子序列的长度。

•最短路径问题:求解两点之间的最短路径,例如Dijkstra算法和Floyd算法都是动态规划的应用。

•最长递增子序列:给定一个序列,求解其中一个递增子序列的最大长度。

•编辑距离问题:求解将一个字符串转换成另一个字符串的最小操作次数,包括删除、插入、替换操作。

•区间调度问题:给定一组活动的起止时间,求解在不重叠的情况下能参加的最多活动数量。

动态规划的问题特征动态规划问题通常具有以下特征:1.最优子结构:问题的最优解可以通过子问题的最优解来递推求解。

2.重叠子问题:问题可以被分解为多个重叠的子问题,这些子问题可以共享相同的解。

3.状态转移方程:问题可以通过状态之间的转移关系来描述,通常采用递推式或递归的方式定义状态转移方程。

4.基本案例:问题需要定义基本情况,也称为递归的终止条件。

动态规划的解题步骤解决动态规划问题通常需要遵循以下步骤:1.定义状态:明确问题的状态,通常需要定义一个状态数组或矩阵来表示问题的状态。

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BSA Lecture 9: String Edits and Alignments – p.8/30
Components of dynamic programming
The recurrence relation
Dynamic programming (of the edit distance) has three essential components: Recurrence relation (palautuskaavat) How is D(i, j ) determined from values D(i , j ) with smaller i and j ? Tabular computation (taulukointi) How to memorize computed values, to avoid computing them over and over again? Traceback (jäljitys) How to find an optimal edit transcript?
Introduction to Part III
Intro to Part III
“Today, the most powerful method for inferring the biological function of a gene (or the protein that it encodes) is by sequence similarity searching on protein and DNA sequence databases.” (W.R. Pearson, 1995)
and some really try to use this!
transforms S1 [1 . . . i − 1] to S2 [1 . . . j − 1] and then matches or replaces S1 [i] by S2 [j ] (MR)
The problem is that a recursive procedure for D(i, j ) computes the same values exponentially many times But there are only (n + 1) × (m + 1) different D(i, j ) values (0 ≤ i ≤ n, 0 ≤ j ≤ m) compute them in a suitable order (bottom-up), and store them in an array so that each value is computed only once
BSA Lecture 9: String Edits and Alignments – p.3/30
BSA Lecture 9: String Edits and Alignments – p.4/30
The Edit Distance Problem
Definition of the Edit Distance
Inexact or approximate matching and sequence comparison are central tools in computational molecular biology. Because of . . . errors in molecular data trying to understand mutational evolution of the sequences exact equality is a too rigid notion of “similarity”
transforms S1 [1 . . . i − 1] to S2 [1 . . . j ] and deletes S1 [i] transforms S1 [1 . . . i] to S2 [1 . . . j − 1] and inserts S2 [j ], or (D) (I)
It is easy to implement recurrences for D(i, j ) as a recursive procedure
(Likimääräinen hahmonsovitus, sekvenssien rinnastus ja dynaaminen ohjelmointi)
BSA Lecture 9: String Edits and Alignments – p.1/30
BSA Lecture 9: String Edits and Alignments – p.2/30
BSA Lecture 9: String Edits and Alignments – p.9/30
How to determine the D(i, j ) values? Base D(i, 0): How to edit S1 [1 . . . i] to S2 [1 . . . 0] = ? With i deletions → D(i, 0) = i Similarly, D(0, j ) = j (← insert S2 [1], S2 [2], . . . , S2 [j ]) Inductive case for i, j > 0: (D) D(i − 1, j ) + 1 D(i, j ) = min D(i, j − 1) + 1 (I) D(i − 1, j − 1) + t(i, j ) (MR) where t(i, j ) = if S1 [i] = S2 [j ] then 0 else 1
BSA Lecture 9: String Edits and Alignments – p.7/30
The edit distance btw strings S1 [1 . . . n] and S2 [1 . . . m] can be computed applying dynamic programming Define D(i, j ) to be the edit distance of prefixes S1 [1 . . . i] and S2 [1 . . . j ] D(n, m) is the edit distance of S1 and S2 Dynamic programming computes D(n, m) by computing D(i, j ) for all i ≤ n and j ≤ m
Biosequence Algorithms, Spring 2005
Lecture 9: Core String Edits and Alignments
¨ Pekka Kilpelainen University of Kuopio Department of Computer Science
III: Inexact Matching, Sequence Alignment, and Dynamic Programming
String Alignment
Computing the Edit Distance
An alignment is an alternative representation for differences and similarities between strings A (global) alignment (kokonaisrinnastus) of S1 and S2 is obtained by inserting spaces in the strings, and then placing them one above the other s.t. each char or space is opposite a unique char or space of the other string “global” ∼ entire strings participate in the alignment (local alignment ∼ regions of high similarity) Example: A global alignment of “Vintner” and “writers”: V _ i n t n e r _ w r i _ t _ e r s
Obs: The roles of S1 and S2 are symmetric, since a deletion in one string corresponds to an insertion in the other
BSA Lecture 9: String Edits and Alignments – p.6/30
BSA Lecture 9: String Edits and Alignments – p.5/30
The edit distance between strings S1 and S2 is the minimum number of operations I, D and R in any transcript that transforms S1 into S2
also known as the Levenshtein distance
An edit transcript with the smallest number of operations I, D and R is an optimal transcript Edit distance problem: Compute the edit distance and an optimal transcript for the given strings S1 and S2
Inexact matching and comparison use alignments (rinnastus) of strings to recognize their similarities Computing alignments involves considering subsequences (alisekvenssi) (instead of contiguous substrings), and solving optimization problems (to maximize sequence similarity), often applying dynamic programming
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