动态规划

动态规划

动态规划模型的分类：

以“时间”角度可分成：

离散型和连续型。

从信息确定与否可分成：

确定型和随机型。

从目标函数的个数可分成：单目标型和多目标型。

动态规划的基本模型

1.多阶段决策过程的最优化问题

2.动态规划的基本概念

3.最优化原理与无后效性

多阶段决策过程的最优化问题

在现实生活中，有一类活动的过程，由于它的特殊性，可将过程分成若干个互相联系的阶段，在它的每一阶段都需要作出决策，从而使整个过程达到最好的活动效果。当然，各个阶段决策的选取不是任意确定的，它依赖于当前面临的状态，又影响以后的发展，当各个阶段决策确定后，就组成一个决策序列，因而也就确定了整个过程的一条活动路线，如下图所示：

最短路径问题。

下图给出了一个地图，地图中的每个顶点代表一个城市，两个城市间的一条连线代表道路，连线上的数值代表道路的长度。现在想从城市A到达城市E，怎样走路程最短？最短路程的长度是多少？

把A到E的全过程分成四个阶段，用K表示阶段变量，第1阶段有一个初始状态A，有两条可供选择的支路A-B1、A-B2；第2阶段有两个初始状态B1、B2，B1有三条可供选择的支路，B2有两条可供选择的支路……。用DK（X，X+1）表示在第K 阶段由初始状态X到下阶段的初始状态X+1的路径距离，FK（X）表示从第K阶段的X到终点E的最短距离。

在上例的多阶段决策问题中，各个阶段采取的决策，一般来说是与阶段有关的，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，我们称这种解决多阶段决策最优化的过程为动态规划程序设计方法。

动态规划的基本概念

阶段和阶段变量：

用动态规划求解一个问题时，需要将问题的全过程恰当地分成若干个相互联系的阶段，以便按一定的次序去求解。描述阶段的变量称为阶段变量，通常用K表示，阶段的划分一般是根据时间和空间的自然特征来划分，同时阶段的划分要便于把问题转化成多阶段决策过程，如上题中，可将其划分成4个阶段，即K = 1，2，3，4。

动态规划的基本概念

状态和状态变量：

某一阶段的出发位置称为状态，通常一个阶段包含若干状态。一般地，状态可由变量来描述，用来描述状态的变量称为状态变量。如上题中，C3是一个状态变量。

动态规划的基本概念

决策、决策变量和决策允许集合：

在对问题的处理中作出的每种选择性的行动就是决策。即从该阶段的每一个状态出发，通过一次选择性的行动转移至下一阶段的相应状态。一个实际问题可能要有多次决策和多个决策点，在每一个阶段的每一个状态中都需要有一次决策，决策也可以用变量来描述，称这种变量为决策变量。在实际问题中，决策变量的取值往往限制在某一个范围之内，此范围称为允许决策集合。如上题中，F3（C3）就是一个决策变量。

动态规划的基本概念

策略和最优策略：

所有阶段依次排列构成问题的全过程。全过程中各阶段决策变量所组成的有序总体称为策略。在实际问题中，从决策允许集合中找出最优效果的策略成为最优策略。

动态规划的基本概念

状态转移方程

前一阶段的终点就是后一阶段的起点，对前一阶段的状态作出某种决策，产生后一阶段的状态，这种关系描述了由k阶段到

k+1阶段状态的演变规律，称为状态转移方程。

最优化原理与无后效性

动态规划的最优化原理。作为整个过程的最优策略具有：无论过去的状态和决策如何，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的性质。也可以通俗地理解为子问题的局部最优将导致整个问题的全局最优，即问题具有最优子结构的性质，也就是说一个问题的最优解只取决于其子问题的最优解，而非最优解对问题的求解没有影响。

最优化原理与无后效性

所谓无后效性原则，指的是这样一种性质：某阶段的状态一旦确定，则此后过程的演变不再受此前各状态及决策的影响。也就是说，“未来与过去无关”，当前的状态是此前历史的一个完整的总结，此前的历史只能通过当前的状态去影响过程未来的演变。

对于不能划分阶段的问题，不能运用动态规划来解；

对于能划分阶段，但不符合最优化原理的，也不能用动态规划来解；既能划分阶段，又符合最优化原理的，但不具备无后效性原则，还是不能用动态规划来解；

误用动态规划程序设计方法求解会导致错误的结果。

动态规划的设计

划分阶段：按照问题的时间或空间特征，把问题划分为若干个阶段。

确定状态和状态变量：将问题发展到各个阶段时所处于的各种客观情况用不同的状态表示出来。

当然，状态的选择要满足无后效性。

确定决策并写出状态转移方程。

寻找边界条件：给出的状态转移方程是一个递推式，需要一个递推的终止条件或边界条件。

问题分析

怀特先生需要作出一系列决策：对于每个舞步i，选择他移动的脚foot[i]，并移动到目（输入数据，已知）。一个决策序标位置A

i

列对应一个可行解，而他只需要从中选出体力耗费最少的一种。

对于每个舞步i，怀特应根据什么来进行决策呢？根据他以前作出的决策吗？显然不是。根据他已经耗费的体力吗？也不是。稍微分析一下就可以看出：只需要根据他现在双脚的位置。只有这个决定了他今后的决策。

根据这个性质，又可以用递归的思路解题：枚举第i次所作出的决策，计算出达到的状态s，递归的从s出发进行动态决策。

状态转移方程

用E（a,b）表示从位置a移动到位置b需要花费的体力，a[k]表示舞曲中第k个箭头的编号。

d[x,y,k]=min{ d[a[k],y,k+1]+E(x,a[k]) ,

d[x,a[k],k+1]+E(y,a[k]) }