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求解两个序列的所有最长公共子序列(LCSes)

时间:2014-07-29 21:52:04      阅读:441      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:动态规划   c++   算法   



摘要

本篇博文提供了实现求解所有最长公共子序列的程序实现,并提供输出所有公共子序列的方法解释,需要具备基础知识是求解一个公共子序列的动态规划方法,请自行查阅相关资料。


题目重述

子序列概念:设X=< x1, x2,, xm>,若有1i1< i2< <ikm,使得Z=< z1, z2,, zk> = < xi1, xi2,, xik>,则称ZX的子序列,记为Z<X

      例如: X=<A,B,C,B,D,A,B>,  Z=<B,C,B,A>,  则有Z<X

公共子序列概念:设X,Y是两个序列,则有Z<XZ<Y,则称ZXY的公共子序列。

最长公共子序列:若Z<XZ<Y,且不存在比Z更长的XY的公共子序列,则称ZXY的最长公共子序列,记为 Z?LCS(X , Y)

问题: 最长公共子序列一般可以有多个,求解并输出所有的LCS


问题分析

求解一个LCS比较容易,但求解所有的LCS比较繁琐,为了实现题目要求,程序引入了栈(Stack)存储结构用于存储具有两个方向的节点(ij坐标),以及输出序列的存储数组,可实现了所有LCS的求解输出。


算法思想

a) 本题根据二维数组C,记录XiYjLCS长度,然后根据矩阵B记录“↖”,“←”,“↑”,“←↑”四种情况,分别用整型数 3,-1,1,2表示,以便于记录;

b) 根据B矩阵求解LCS序列的规则,可以发现所有LCS路径构成了一个有向图,所以可以结合深度优先搜索算法并加以改进实现输出所有LCS

c) 引入Stack(堆栈)存储结构(见程序 StackNode S[N];),S为结构体,包含ij,pos三个参数,分别表示点的坐标,以及即将存入lcs的位置;同时分配动态数组(char*lcs =(char*)new char[len];)用于存储符合要求的数组;设置变量li用于记录要存入lcs数组的位置;

d) 算法核心即当遇到“←↑”情形,将B[i][j]=1,并将节点信息存入栈, 然后继续搜索下一个节点,当符合要求后输出序列,并回溯到最近的“←↑”节点(已经置为“↑”),并进行下一个序列的搜索输出,具体代码参见程序函数:void fn_OutputLCSes(int(*)[],char*,int(*)[],int, int)


程序代码

/*-----------------------------------------------------------------
*                       输出所有LCSes 
* -----------------------------------------------------------------
*  By gujinjin    
*  求解任意两个序列的所有最长公共子序列(LCS)
*  Execute successfully on Visual Studio 2012 
*/
#include <iostream>

using std::cout;
using std::cin;
using std::endl;
// 定义数组最大长度
#define N 20

struct StackNode
{
	int i;
	int j;
	int pos;
};

/*-----------------------------------------------------------------
*                bool fn_Input(char*, int,char*,int)
* -----------------------------------------------------------------
*/
bool fn_Input(char* la, int na,char* lb,int nb)
{
	// Reutrn false
	if(na==0 || nb==0)return false;
	// Input list
	cout<<"Input La List:"<<endl;
	for(int i=0;i<na;i++)
	{
		cin>>la[i];
	}
	cout<<"Input Lb List:"<<endl;
	for(int j=0;j<nb;j++)
	{
		cin>>lb[j];
	}
	return true;
}

/*-----------------------------------------------------------------
*             void fn_LCS(char*,char*,int(*)[],int, int)
* -----------------------------------------------------------------
*  Mb中 1表示上箭头,-1表示右箭头,2表示上、右箭头,3表示斜箭头
*/
void fn_LCS(char* la,char* lb,int (*MC)[N],int (*Mb)[N],int na, int nb)
{
	for(int i=0;i<=na;i++)MC[i][0]=0;
	for(int j=1;j<=nb;j++)MC[0][j]=0;

	for(int i=1;i<=na;i++)
	{
		for(int j=1;j<=nb;j++)
		{
			/* la,lb 是字母序列,从0开始而不是1 */
			if(int(la[i-1]) == int(lb[j-1]))
			{
				MC[i][j]= MC[i-1][j-1]+1;
				Mb[i][j]=3;
			}
			else if(MC[i-1][j] > MC[i][j-1])
			{
				MC[i][j] = MC[i-1][j];
				Mb[i][j] = 1;
			}
			else if(MC[i-1][j] < MC[i][j-1])
			{
				MC[i][j] = MC[i][j-1];
				Mb[i][j] = -1;
			}
			else
			{
				MC[i][j] = MC[i][j-1];
				Mb[i][j] = 2;
			}
		} // end of for j
	} // end of for i
}

/*-----------------------------------------------------------------
*     void fn_OutputPreInfo(char*,char*,int(*[],int(*)[],int,int)
* -----------------------------------------------------------------
*/
void fn_OutputPreInfo(char* la, char* lb,int(*MC)[N],int(*Mb)[N],int na,int nb)
{
	cout<<"La序列元素个数"<<na<<endl;
	cout<<"La序列元素:"<<endl;
	for(int i=0;i<na;i++)cout<<la[i]<<'\t';
	cout<<endl;
	cout<<"Lb序列元素个数"<<nb<<endl;
    cout<<"Lb序列元素:"<<endl;
	for(int j=0;j<nb;j++)cout<<lb[j]<<'\t';
	cout<<endl;

	cout<<"Output MC:"<<endl;
	for(int i=0;i<=na ;i++)
	{
		for(int j=0;j<=nb ;j++)
		{
		  cout<<MC[i][j]<<'\t';
		}
		cout<<endl;
	}
	cout<<"Output Mb"<<endl;
	for(int i=0;i<=na ;i++)
	{
		 for(int j=0;j<=nb ;j++)
		 {
			cout<<Mb[i][j]<<'\t';
		 }
		 cout<<endl;
	}
}

/*------------------------------------------
*              判断栈空函数
* ------------------------------------------
*/
int isempty(int s,int t)
{
	if(s==t)return(1);/*栈为空,返回1 */
	else return(0);
}

/*------------------------------------------
*               进栈函数
* ------------------------------------------
*/
void Push(StackNode s[],int& top,int i,int j,int pos)
{
	s[top].i=i;
	s[top].j=j;
	s[top].pos=pos;
	++top; //* 先入栈在++
}

/*------------------------------------------
*              出栈函数
* ------------------------------------------
*/
int Pop(int top)
{
	return(--top);
}

/*-----------------------------------------------------------------
*         void fn_OutputLCSes(int(*)[],char*,int(*)[],int, int)
* -----------------------------------------------------------------
*/
void fn_OutputLCSes(int (*Mb)[N], char* la, int i, int j,int len)
{
	char *lcs =(char*)new char[len];
	StackNode S[N];
	int top=0,base=0,li;
	li = len-1;
	while(i>=0 && j>=0)
	{
		if(Mb[i][j]==2)
		{
			Push(S,top,i,j,li);
			Mb[i][j]=1;
			i=i;
			j=j-1;
		}
		else if(Mb[i][j]==-1)
		{
			//Mb[i][j]=0;
			i=i;
			j=j-1;
		}
		else if(Mb[i][j]==1)
		{
			//Mb[i][j]=0;
			i=i-1;
			j=j;
		}
		else if(Mb[i][j]==3)
		{
			lcs[li]=la[i-1];
			i=i-1;
			j=j-1;
			if(li==0)
			{
				for(int k=0;k<len;k++)cout<<lcs[k]<<'\t';
				cout<<endl;

				if(isempty(top,base))break;
				else 
				{
					top = Pop(top);
					i=S[top].i;
					j=S[top].j;
					li = S[top].pos;
					continue;
				}
				
			}
			li--;

		} // else if(Mb[i][j]==3)
	}// while(1)

	//  删除动态分配空间
	delete [] lcs;
}


/*-----------------------------------------------------------------
*                            Main Fun
* -----------------------------------------------------------------
*/
void main(void)
{
	// 定义俩序列
	char la[N],lb[N];
	// 定义俩辅助矩阵
	int MC[N][N],Mb[N][N];
	// Initialize
	for(int i=0;i<N;i++)
		for(int j=0;j<N;j++)
		{
			MC[i][j]=0;
			Mb[i][j]=0;
		}
	int na,nb,len;
	cout<<"Input your two list length:"<<endl;
	cin>>na>>nb;
	// 判断输入是否正确
	if(fn_Input(la,na,lb,nb))
	{
		// 获取MC,Mb辅助矩阵
		fn_LCS(la,lb,MC,Mb,na,nb);
		// 输出矩阵信息
		fn_OutputPreInfo(la,lb,MC,Mb,na,nb);
		
		// 输出 LCS
		cout<<"The LCSes are:"<<endl;
		len = MC[na][nb];
		//cout<< len<<endl;
		fn_OutputLCSes(Mb,la,na,nb,len);
	}
}

运行结果

求解 X=<A,B,C,B,D,A,B>,  Y=<B,D,C,A,B,A>,结果如下(控制台应用程序):

结果为:  <B,D,A,B><B,C,A,B><B,C,B,A>

bubuko.com,布布扣


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求解两个序列的所有最长公共子序列(LCSes)

标签:动态规划   c++   算法   

原文地址:http://blog.csdn.net/gujinjinseu/article/details/38278129

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