[Logical Thinking] 3. 동적 계획법

동적 계획법(Dynamic Programming)은 프로그래밍을 할 때 생기는 문제를 작은 문제들로 나눠서 풀고, 그것을 합치는 방법이다. 그 과정에서 이미 풀어봤던 문제가 발생하면, 문제를 다시 풀지 않고, 예전에 풀었던 정보를 가져오는 방법이다. 이것 때문에 분할 정복과는 다른 면이 있다. 글들은 최대한 이해하기 쉽게 작성하려고 했다.

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동적 계획법

동적 계획법을 최대한 쉽게 설명해 보려고 노력 했고, 내가 할 수 있는 제일 쉬운 설명을 가져왔다. 숫자를 세어 보도록 하자, 첫번째 줄에는 1이 몇개 있는가?

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

아마 대부분이 세어 보지 않았을 거라고 생각하지만, 1이 10개가 있다. 그러면 여기서 1을 하나 더 그었다고 생각해 보자.

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

아래에서는 1이 몇개 있는가? 이것은 아마 이 문장을 보기 전에 답을 알고 있을 것이다. 11개이다. 우리는, 11개라는 답을 얻어낼 때, 처음부터 다시 세어본 것이 아니라 이전에 세었던 결과들을 미리 가져 온 것이다. 이것은 동적 계획법의 기본이 된다. 문제들을 비슷한 문제들로 바꾸고, 똑같은 문제에 대한 답을 미리 기억 해 놓는다.

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최장 증가 부분 수열과 최적 부분구조(Optimal Substructure)

그림으로 그린 LIS문제, 3 4 5 6은 증가하는 수열이다.

동적 계획법의 예를 들어 보기 위해서, 우리는 간단한 하나의 문제를 가지고 올 것이다. 최장 증가 부분 수열(Longest Increasing Subsequence, LIS)이라는 문제는 굉장히 흔하게 알려진 문제이다.

임의의 수열을 하나 가지고 오자 예를들면 길이 10의 수열 "3 1 4 1 5 9 2 6 5 3"이 있다고 하자. 우리는 이 숫자들을 적당히 차례로 골라서 가장 길고, 증가하는 숫자들을 찾으려고 한다. 예를 들면 "3 1 4 1 5 9 2 6 5 3" 에서 굵게 표시된 "3 4 5 6"은, 증가하는 수열이고 순서를 보존한다. 이것 보다 더 큰 증가하는 부분 수열은 찾을 수 없기 때문에 "3 4 5 6"은 최장 증가 부분 수열이다. 이것이 유일하지는 않다. 예를들면 마지막 숫자만 9로 바꾼 "3 4 5 9"도 최장 증가 부분 수열이다. 하지만, 이 수열들의 길이는 4로 같다. 우리는 이 길이를 구하는 것에 초점을 맞추어 볼 것이다.

우리는 다음의 정리를 증명하려고 한다.

"(길이 2 이상의) i번째 수로 끝나는 증가 부분 수열중 가장 길이가 긴 것은, 1번째 수로 끝나는 증가 부분 수열 중 가장 길이가 긴 것 또는 2번째 수로 끝나는 증가 부분 수열 중 가장 길이가 긴 것 또는 ... i-1번째 수로 끝나는 증가 부분 수열을 포함하고 있다."

라는 것이다. 즉, "최장 증가 부분 수열"은, 더 작은 최장 증가 부분 수열을 포함하고 있다는 뜻이다.

증명은 간단하다. i번째 수로 끝나는 증가 부분 수열에 마지막에서 두번째 원소가 j번째 수라고 하자. (첫번째 원소를 x번째 수라고 해서, 수열을 a_x, ..., a_j, a_i로 나타내자.) 만약, 이 증가 부분 수열이 j번째 수로 끝나는 증가 부분 수열을 포함하고 있지 않다면 우리는 수열의 앞부분을 교체해서 더 길게 만들 수 있고, 우리가 "가장 길다"라고 말한 것에 모순이다. (j번째 수로 끝나는 최장 증가 부분 수열인 (a_y, ..., a_j)가 (a_x, ..., a_j)보다 더 길면, (a_y, ..., a_j, a_i)가 (a_x, ..., a_j, a_i) 보다 더 길다.) 그러므로, 본 명제가 증명되었다.

어쨌든 결론은 우리는 최장 증가 부분 수열을 문제를 풀 때, 큰 문제의 답에는 작은 문제의 답이 들어 있다는 것이다. 이것을 최적 부분 구조(Optimal Substructure)라고 말하고, 작은 문제를 풀고 그것을 이용할 수 있다는 것이다. 이것을 토대로 우리는 코드를 짜 볼 수 있다.

// 배열 A가 주어졌을 때, M번째 원소로 끝나는 최장 증가 부분수열의 길이를 구한다.
int solve(int M, const int A[])
{
    // 자기 자신이 유일한 최장 증가 부분 수열인 경우
    int ans = 0; 

    // 부분 문제를 답으로 가지고 있다.
    // i번째 수열을 사용하려면, A[M]을 덧붙일 수 있어야 한다.
    // 그래서 A[i] < A[M]일 경우에만, 문제의 답을 가져온다.
    for(int i=0; i<M; ++i)
        if(A[i] < A[M]) 
            ans = std::max(ans, solve(i, A) + 1);

    return ans; 
}

int LIS(int N, const int A[])
{
    // 모든 숫자에 대해서, 그 숫자로 끝나는 최장 증가 부분 수열의 길이를 구한다.
    // 그 중 최댓값이 전체에서의 최장 증가 부분 수열이다. 
    int ans = 0;
    for(int i=0; i<N; ++i)
        ans = std::max(ans, solve(i, A));
 
    return ans;
}

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부분문제 반복(Overlapping Subproblem)

위의 코드를 실제로 실행 시켜 보면, 굉장히 느릴 것이다. 왜냐하면, 우리는 solve(1, A)를 호출 할 때도, solve(2, A)를 호출할 때에도 계속 solve(0, A)를 호출 할 수 있기 때문이다. 하지만, 우리는 여러번 실행 시켜봐도 답이 변하지 않는다는 사실을 알고 있다. (코드가 어떤 경우에도 결정적이고, 외부에 있는 변수를 바꾸지 않는다.) 그래서 우리는 몇가지 트릭을 써보려고 한다. 만약에 우리가 한번 계산한 값이면, 다시 계산할 필요가 없고, 이 값을 저장시켜 놓는 것이다. 우리는 그 배열의 이름을 dp라고 정할 것이다.: 코드는 다음과 같다.

int *dp;
int solve(const int M, const int A[])
{
    // 이미 계산된 값일 경우, 그 값을 그대로 쓴다.
    if(dp[M] != -1) return dp[M];
    int ans = 0; 
    
    // 부분 문제를 답으로 가지고 있다.
    for(int i=0; i<N; ++i)
        if(A[i] < A[N])
            ans = std::max(ans, solve(i, A) + 1);
 
    // 계산된 값을 저장해 놓는다.
    dp[M] = ans; 
    return ans; 
}

int LIS(const int N, const int A[])
{
    // dp배열을 -1로 채운다.
    // 여기서 -1은 우리가 아직 계산을 해 보지 않은 값이란 의미이다.
    dp = new int[N]; fill(dp, dp+N, -1);
    
    int ans = 0;
    for(int i=0; i<N; ++i)
        ans = std::max(ans, solve(i, A));
  
    delete[] dp;
    return ans;
}

이 방법을 쓰면, 우리는 여러번의 같은 코드가 실행되는 상황에서 한번만 그 문제를 계산하고, 나머지는 있는 값을 그대로 가져오는 것으로 풀 수 있다. 즉, 여러번의 문제가 반복되는 상황에서(부분문제 반복) 중복된 계산을 하지 않는다. 이 코드를, solve함수를 명시적으로 만들지 않고, 암시적으로 만들면 다음과 같은 코드가 된다.

int LIS(const int N, const int A[])
{
    int* dp = new int[N];
    int ans = 0; //LIS 함수에서의 ans 값이다.
    for(int i=0; i<N; ++i)
    {
        dp[i] = 0; //solve 함수에서의 ans 값이다.
        for(int j=0; j<i; ++j)
            if(A[j] < A[i])
                dp[i] = std::max(dp[i], dp[j] + 1);

        ans = std::max(ans, A[i]);
    }
    delete[] dp;
    return ans;
}

우리가 이런 코드를 만들 수 있는 이유는 위에서 solve(i, A)가 계산 될 시점에는, solve(0, A), solve(1, A), ..., solve(i-1, A)가 모두 계산 되어 있기 때문이다. 즉, 우리가 solve의 계산이 수행되는 순서를 알고 있기 때문이다. 그렇기 때문에, dp 배열의 값들을 안전하게 이용할 수 있다.

이 구역에 있는 두가지 코드는 동적 계획법을 계산하는 같은 역할을 하는 서로 다른 코드이다. 두 방법의 장단점이 모두 있으니, 상황에 따라 쓰면 좋다. 첫번째 방법의 좋은 점은, 필요 없는 dp값을 계산하지 않는 다는 점과, solve가 호출되는 순서를 알 필요가 없다는 것이다. 두번째 방법의 좋은 점은, 함수의 오버헤드가 없어서 실행 속도가 굉장히 빠르다는 점이다. 그리고 배열의 식을 그대로 사용하기 때문에 다양한 최적화를 하기 쉽다는 것이다.

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동적계획법의 방법과 예제에 대해서 알아 보았다. 이 문제는, 현실의 문제를 푸는데도 굉장히 많이 이용된다. 대부분의 문제가 최적 부분구조와 부분문제 반복이라는 구조를 가지고, 문제를 변형하면 DP를 적용하기 쉬운 형태가 된다. 특히 bit-DP라는 방법이 현실의 문제를 푸는 방법과 많이 유사하다. 다양한 테크닉은 이 글의 범위를 초과하니 따로 포스트를 작성하는 것으로 하겠다. 다음에는 시간복잡도에 대한 포스트를 작성하도록 하겠다. 아래에 풀어볼만한 연습문제를 남겨 놓겠다. 풀이 등에 대한 질문이 있거나, 게시글에 개선할 사항은 덧글로 남겨줬으면 한다. 참고로 5번 문제는 Fenwick Tree라는 자료구조를 알고 있는 사람이 풀어 보았으면 좋겠다.

 

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1. https://www.acmicpc.net/problem/1463

2. https://www.acmicpc.net/problem/11726

3. https://www.acmicpc.net/problem/1932

4. 그래프 문제중에, "단순 최장 경로"라는 문제가 있다. 이것은, 그래프에서 정점을 중복해서 지나지 않는 최장경로를 찾는 문제다. 이 문제는 정점에 대한 동적 계획법으로 풀리지 않는다. 왜 풀리지 않는가 설명하라.

5. 그런 반면에, 최단경로를 구하는 문제는 동적 계획법으로 매우 잘 풀린다. (모든 간선의 길이가 양수 일 때) 동적 계획법으로 그래프의 모든 정점쌍간의 최단거리를 구하는 알고리즘을 만들어라.

6. 가장 마지막의 LIS함수를 Fenwick Tree를 사용하여 O(n log n)으로 최적화 하여라.

 

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