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线性空间求最长公共子序列的Nakatsu算法

2013年10月03日 ⁄ 综合 ⁄ 共 2536字 ⁄ 字号 评论关闭

转自:http://www.cnblogs.com/grenet/archive/2011/03/11/1964417.html

在参阅《A Longest Common Subsequence Algorithm Suitable for Similar Text Strings》(Narao Nakatsu,Yahiko Kambayashi,Shuzo Yajima著)后。发现该算法可以利用线性空间求出最长公共子序列。该算法的时间占用O(n(m-p+1)),p为最长公共子序列的长度。

 

  字符串A和字符串B,计算LCS(A,B)

  定义一:设M=Len(A),N=Len(B),不妨设M≤N。

  定义二:A=a1a2……aM,表示A是由a1a2……aM这M个字符组成

      B=b1b2……bN,表示B是由b1b2……bN这N个字符组成

      LCS(i,j)=LCS(a1a2……ai,b1b2……bj),其中1≤i≤M,1≤j≤N

  定义三:L(k,i)表示,所有与字符串a1a2……ai有长度为k的LCS的字符串b1b2……bj中j的最小值。

      用公式表示就是:L(k,i)=Min{j} Where LCS(i,j)=k

      用一个例子来说明:A="CD",B="CEFDRT"。

      很明显的是LCS(2,1)=1,LCS(2,2)=1,LCS(2,3)=1。

      满足LCS(2,j)=1这个条件的j有三个,分别是j=1、j=2、j=3。其中j最小值是1。故L(1,2)=1

 

  为了推导L的计算,有下面几个定理。

  定理一:任意的i,1≤i≤M。有L(1,i)<L(2,i)<L(3,i)……

  定理二:任意的i,1≤i≤M-1。任意的k,1≤k≤M。有L(k,i+1)≤L(k,i)

  定理三:任意的i,1≤i≤M-1。任意的k,1≤k≤M-1。有L(k,i)<L(k+1,i+1)

  定理四:如果L(k,i+1)存在,则L(k,i+1)的计算公式为

      L(k,i+1)=Min{Min{j},L(k,i)} Where {ai+1=bj And j>L(k-1,i)}

  上面四个定理证明从略。可以从上面四个定理推导出L的计算。

 

  故,L的计算公式为

    ①L(1,1)=Min{j} Where {a1=bj

    ②L(1,i)=Min{Min{j} Where {ai=bj},L(1,i-1)}   此时,1<i≤M

    ③L(k,i)=Min{Min{j} Where {ai=bj  And j>L(k-1,i-1)},L(k,i-1)}   此时,1<i≤M,1<k≤M

    注:以上公式中,若找不到满足Where后面条件的j,则j=MaxValue

      当i<k时,则L(k,i)=MaxValue

      MaxValue是一个常量,表示“不存在”

 

  在实际的算法实现中,为了简化运算,再次提出几个定义。

  定义:    L(0,i)=0        1≤i≤M

         L(k,0)=MaxValue    1<k≤M

         MaxValue=N+1    (只要定义一个j不可能取到的值就可以了)

    则,在①中的公式可以写成

    L(1,1)=Min{j} Where {a1=bj}=Min{j} Where {a1=bj And j>0 }

       =Min{Min{j} Where {a1=bj And j>0 },MaxValue}

       =Min{Min{j} Where {a1=bj And j>L(0,0) },L(1,0)}

    在②中的公式可以写成

    L(1,i)=Min{Min{j} Where {ai=bj},L(1,i-1)}

       =Min{Min{j} Where {ai=bAnd j>0},L(1,i-1)}

       =Min{Min{j} Where {ai=bAnd j>L(0,i)},L(1,i-1)}    此时,1<i≤M

 

  于是,三个公式统一了  

  ④L(k,i)=Min{Min{j} Where {ai=bj  And j>L(k-1,i-1)},L(k,i-1)}   此时,1≤i≤M,1≤k≤M

  且当i<k时,则L(k,i)=MaxValue

 

  仔细观察④,公式还可以写成如下

  ⑤  L(k,i)=Min{j} Where {ai=bj  And L(k-1,i-1)<j<L(k,i-1)} 1≤i≤M,1≤k≤M,且j存在    

  或  L(k,i)=L(k,i-1)  1≤i≤M,1≤k≤M,当j不存在时

 

  写成⑤的目的有两个:一个是简化计算,不计算不必要的值;一个是为了标记,为后面计算最长公共子序列做准备。  

 

  接下来,将会用例子来说明:

  A:481234781;B:4411327431

 

  第一步:初始化L矩阵 

L矩阵
    4 8 1 2 3 4 7 8 1
  i=0 i=1 i=2 i=3 i=4 i=5 i=6 i=7 i=8 i=9
k=0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
k=1 V                  
k=2 V V                
k=3 V V V              
k=4 V V V V            
k=5 V V V V V          
k=6 V V V V V V        
k=7 V V V V V V V      
k=8 V V V V V V V V    
k=9 V V V V V V V V V  

 

  第二步:如表格所示,计算第一条对角线 

L矩阵
    4 8 1 2 3 4 7 8 1
  i=0 i=1 i=2 i=3 i=4 i=5 i=6 i=7 i=8 i=9
k=0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
k=1 V 1                
k=2 V V V              
k=3 V V V V            
k=4 V V V V V          
k=5 V V V V V V        
k=6 V V V V V V V      
k=7 V V V V V V V V    
k=8 V V V V V V V V V  
k=9 V V V V V V V V V V

     运气很差,只有第一个单元格有值,其余的都是V(MaxValue),很显然这不是问题的解。这条对角线满足L(k-1,i-1)<j<L(k,i-1)的只有一个单元格。先把它标记出来。

 

  第三步:如表格所示,计算相邻的第二条对角线 

L矩阵
    4 8 1 2 3 4 7 8

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