14.7 まとめ¶
1. 要点の振り返り¶
- 動的計画法は問題を分解し、部分問題の解を保存することで重複計算を避け、計算効率を高めます。
- 時間を考慮しなければ、すべての動的計画法の問題はバックトラッキング（総当たり探索）で解けますが、再帰木には大量の重複部分問題が存在するため、効率はきわめて低くなります。メモ化配列を導入すると、計算済みのすべての部分問題の解を保存でき、重複部分問題が 1 回だけ計算されることを保証できます。
- メモ化探索はトップダウンの再帰的解法であり、それに対応する動的計画法はボトムアップの漸化式による解法で、ちょうど「表を埋める」ようなものです。現在の状態は一部の局所状態にのみ依存するため、\(dp\) 表の 1 次元を削減して空間計算量を下げることができます。
- 部分問題への分解は汎用的なアルゴリズムの考え方であり、分割統治、動的計画法、バックトラッキングではそれぞれ異なる性質を持ちます。
- 動的計画法の問題には 3 つの大きな特徴があります。重複部分問題、最適部分構造、無後効性です。
- 元の問題の最適解が部分問題の最適解から構築できるなら、その問題は最適部分構造を持ちます。
- 無後効性とは、ある状態の将来の発展がその状態のみに関係し、過去に経たすべての状態とは無関係であることを指します。多くの組合せ最適化問題は無後効性を持たず、動的計画法で高速に解くことはできません。
ナップサック問題
- ナップサック問題は最も典型的な動的計画法の問題の 1 つであり、0-1 ナップサック、完全ナップサック、多重ナップサックなどの派生があります。
- 0-1 ナップサックの状態は、容量 \(c\) のナップサックに対して、前 \(i\) 個の品物で得られる最大価値として定義されます。ナップサックに入れない場合と入れる場合の 2 つの判断から最適部分構造を得て、状態遷移方程式を構築できます。空間最適化では、各状態が真上と左上の状態に依存するため、左上の状態が上書きされるのを避けるために配列を逆順に走査する必要があります。
- 完全ナップサック問題では各品物の選択数に制限がないため、品物を入れる場合の状態遷移は 0-1 ナップサック問題とは異なります。状態は真上と真左の状態に依存するので、空間最適化では順方向に走査するべきです。
- コイン両替問題は完全ナップサック問題の変種です。「最大」価値を求める問題から「最小」の硬貨枚数を求める問題へ変わるため、状態遷移方程式の \(\max()\) は \(\min()\) に置き換える必要があります。また、ナップサック容量を「超えない」ことを目指すのではなく、目標金額を「ちょうど」作ることを目指すため、\(amt + 1\) を「目標金額を作れない」無効解の表現として用います。
- コイン両替問題 II では、「最少硬貨枚数」を求める問題から「硬貨の組合せ数」を求める問題へ変わるため、状態遷移方程式も \(\min()\) から総和演算子へ対応して変わります。
編集距離問題
- 編集距離（Levenshtein 距離）は 2 つの文字列間の類似度を測るために用いられ、ある文字列を別の文字列へ変換するための最小編集回数として定義されます。編集操作には追加、削除、置換が含まれます。
- 編集距離問題の状態は、\(s\) の前 \(i\) 文字を \(t\) の前 \(j\) 文字へ変更するのに必要な最小編集回数として定義されます。\(s[i] \ne t[j]\) のときは、追加、削除、置換の 3 つの判断があり、それぞれに対応する残りの部分問題があります。これにより最適部分構造を見いだし、状態遷移方程式を構築できます。一方、\(s[i] = t[j]\) のときは現在の文字を編集する必要はありません。
- 編集距離では、状態は真上、真左、左上の状態に依存します。そのため、空間最適化後は順方向でも逆方向でも正しく状態遷移できません。そこで、変数を 1 つ用いて左上の状態を一時保存し、完全ナップサック問題と等価な形へ変換することで、空間最適化後に順方向走査を行えるようにします。