1、暴力递归
const fib = (n) =>{
     if(n=== 1 || n===2)return 1;
     return fib(n-1) + fib(n-2);
}
function Fibonacci(n){// 暴力递归 斐波那契数列的数学形式就是递归的
   return fib(Number(n))
}
module.exports = {
    Fibonacci : Fibonacci
};
我们也知道这样写代码虽然简洁易懂,但是十分低效,低效在哪里?假设 n = 20,请画出递归树:
递归算法的时间复杂度怎么计算?就是用子问题个数乘以解决一个子问题需要的时间

首先计算子问题个数,即递归树中节点的总数。显然二叉树节点总数为指数级别,所以子问题个数为 O(2^n)。

然后计算解决一个子问题的时间,在本算法中,没有循环,只有 f(n - 1) + f(n - 2) 一个加法操作,时间为 O(1)。

所以,这个算法的时间复杂度为二者相乘,即 O(2^n),指数级别,爆炸。

观察递归树,很明显发现了算法低效的原因:存在大量重复计算,比如 f(18) 被计算了两次,而且你可以看到,以 f(18) 为根的这个递归树体量巨大,多算一遍,会耗费巨大的时间。更何况,还不止 f(18) 这一个节点被重复计算,所以这个算法及其低效。

这就是动态规划问题的第一个性质:重叠子问题

2、带备忘录的递归解法

一般使用一个数组充当这个「备忘录」,当然也可以使用哈希表(字典),思想都是一样的。
实际上,带「备忘录」的递归算法,把一棵存在巨量冗余的递归树通过「剪枝」,改造成了一幅不存在冗余的递归图,极大减少了子问题(即递归图中节点)的个数。
const helper = (memo,n) =>{
    if(n === 0 || n === 1) return n;
    if(memo[n] !== 0)return memo[n];
    memo[n] = helper(memo, n -1) + helper(memo,n-2);
    return memo[n]
}
const fib = (n) =>{
    let memo = Array(n+1).fill(0)
    return helper(memo,n)
}
function Fibonacci(n){
   return fib(Number(n))
}

子问题个数,由于本算法不存在冗余计算,子问题就是 f(1), f(2), f(3) … f(20),数量和输入规模 n = 20 成正比,所以子问题个数为 O(n)。

解决一个子问题的时间,同上,没有什么循环,时间为 O(1)。

所以,本算法的时间复杂度是 O(n),比起暴力算法,是降维打击。

至此,带备忘录的递归解法的效率已经和迭代的动态规划解法一样了。实际上,这种解法和常见的动态规划解法已经差不多了,只不过这种解法是「自顶向下」进行「递归」求解,我们更常见的动态规划代码是「自底向上」进行「递推」求解。

啥叫「自顶向下」?注意我们刚才画的递归树(或者说图),是从上向下延伸,都是从一个规模较大的原问题比如说 f(20),向下逐渐分解规模,直到 f(1) 和 f(2) 这两个 base case,然后逐层返回答案,这就叫「自顶向下」。

啥叫「自底向上」?反过来,我们直接从最底下、最简单、问题规模最小、已知结果的 f(1) 和 f(2)(base case)开始往上推,直到推到我们想要的答案 f(20)。这就是「递推」的思路,这也是动态规划一般都脱离了递归,而是由循环迭代完成计算的原因。

3、dp 数组的迭代(递推)解法

有了上一步「备忘录」的启发,我们可以把这个「备忘录」独立出来成为一张表,通常叫做 DP table,在这张表上完成「自底向上」的推算!
const fib = (n) =>{
    if(n === 0)return 0;
    let dp = Array(n+1).fill(0);
    // base case
    dp[0] = 0;dp[1] = 1;
    // 状态转移
    for(let i = 2;i <= n;i++){
        dp[i] = dp[i-1] + dp[i-2];
    }
    return dp[n]
}
function Fibonacci(n){
   return fib(Number(n))
}


画个图就很好理解了,而且你发现这个 DP table 特别像之前那个「剪枝」后的结果,只是反过来算而已。实际上,带备忘录的递归解法中的「备忘录」,最终完成后就是这个 DP table,所以说这两种解法其实是差不多的,大部分情况下,效率也基本相同。
这里,引出「状态转移方程」这个名词,实际上就是描述问题结构的数学形式:

为啥叫「状态转移方程」?其实就是为了听起来高端。

f(n) 的函数参数会不断变化,所以你把参数 n 想做一个状态,这个状态 n 是由状态 n - 1 和状态 n - 2 转移(相加)而来,这就叫状态转移,仅此而已。

你会发现,上面的几种解法中的所有操作,例如 return f(n - 1) + f(n - 2),dp[i] = dp[i - 1] + dp[i - 2],以及对备忘录或 DP table 的初始化操作,都是围绕这个方程式的不同表现形式。

可见列出「状态转移方程」的重要性,它是解决问题的核心,而且很容易发现,其实状态转移方程直接代表着暴力解法。

千万不要看不起暴力解,动态规划问题最困难的就是写出这个暴力解,即状态转移方程

只要写出暴力解,优化方法无非是用备忘录或者 DP table,再无奥妙可言。

我们会发现,根据斐波那契数列的状态转移方程,当前状态只和之前的两个状态有关,其实并不需要那么长的一个 DP table 来存储所有的状态,只要想办法存储之前的两个状态就行了。

所以,可以进一步进行细节优化,把空间复杂度降为 O(1)。也就是我们最常见的计算斐波那契数的算法:

const fib = (n) =>{
    if(n === 0 || n === 1){
        return n;// base case
    }
    // let dp = Array(n+1).fill(0);
    // 分别代表 dp[i - 1] 和 dp[i - 2]
    let dp_i_1 = 1,dp_i_2 = 0;
    // 状态转移
    for(let i = 2;i <= n;i++){
       // dp[i] = dp[i-1] + dp[i-2];
        let dp_i = dp_i_1 + dp_i_2;
        // 滚动更新
        dp_i_2 = dp_i_1;
        dp_i_1 = dp_i;
    }
    return dp_i_1;
}
function Fibonacci(n){
   return fib(Number(n))
}

这一般是动态规划问题的最后一步优化,如果我们发现每次状态转移只需要 DP table 中的一部分,那么可以尝试缩小 DP table 的大小,只记录必要的数据,从而降低空间复杂度。

上述例子就相当于把DP table 的大小从 n 缩小到 2。一般来说是把一个二维的 DP table 压缩成一维,即把空间复杂度从 O(n^2) 压缩到 O(n)。

动态规划的另一个重要特性「最优子结构」,没有涉及?斐波那契数列的例子严格来说不算动态规划,因为没有涉及求最值,以上旨在说明重叠子问题的消除方法,演示得到最优解法逐步求精的过程。