編輯距離算法詳解:Levenshtein Distance算法


算法基本原理:假設我們可以使用d[ i , j ]個步驟(可以使用一個二維數組保存這個值),表示將串s[ 1…i ] 轉換為 串t [ 1…j ]所需要的最少步驟個數,那么,在最基本的情況下,即在i等於0時,也就是說串s為空,那么對應的d[0,j] 就是 增加j個字符,使得s轉化為t,在j等於0時,也就是說串t為空,那么對應的d[i,0] 就是 減少 i個字符,使得s轉化為t。

  然后我們考慮一般情況,加一點動態規划的想法,我們要想得到將s[1..i]經過最少次數的增加,刪除,或者替換操作就轉變為t[1..j],那么我們就必須在之前可以以最少次數的增加,刪除,或者替換操作,使得現在串s和串t只需要再做一次操作或者不做就可以完成s[1..i]到t[1..j]的轉換。所謂的“之前”分為下面三種情況:

1)我們可以在k個操作內將 s[1…i] 轉換為 t[1…j-1]

2)我們可以在k個操作里面將s[1..i-1]轉換為t[1..j]

3)我們可以在k個步驟里面將 s[1…i-1] 轉換為 t [1…j-1]

針對第1種情況,我們只需要在最后將 t[j] 加上s[1..i]就完成了匹配,這樣總共就需要k+1個操作。

針對第2種情況,我們只需要在最后將s[i]移除,然后再做這k個操作,所以總共需要k+1個操作。

針對第3種情況,我們只需要在最后將s[i]替換為 t[j],使得滿足s[1..i] == t[1..j],這樣總共也需要k+1個操作。而如果在第3種情況下,s[i]剛好等於t[j],那我們就可以僅僅使用k個操作就完成這個過程。

  最后,為了保證得到的操作次數總是最少的,我們可以從上面三種情況中選擇消耗最少的一種最為將s[1..i]轉換為t[1..j]所需要的最小操作次數。

算法基本步驟: 

(1)構造 行數為m+1 列數為 n+1 的矩陣 , 用來保存完成某個轉換需要執行的操作的次數,將串s[1..n] 轉換到 串t[1…m] 所需要執行的操作次數為matrix[n][m]的值;

(2)初始化matrix第一行為0到n,第一列為0到m。

Matrix[0][j]表示第1行第j-1列的值,這個值表示將串s[1…0]轉換為t[1..j]所需要執行的操作的次數,很顯然將一個空串轉換為一個長度為j的串,只需要j次的add操作,所以matrix[0][j]的值應該是j,其他值以此類推。

(3)檢查每個從1到n的s[i]字符;

(4)檢查每個從1到m的s[i]字符;

(5)將串s和串t的每一個字符進行兩兩比較,如果相等,則讓cost為0,如果不等,則讓cost為1(這個cost后面會用到);

(6)a、如果我們可以在k個操作里面將s[1..i-1]轉換為t[1..j],那么我們就可以將s[i]移除,然后再做這k個操作,所以總共需要k+1個操作。

b、如果我們可以在k個操作內將 s[1…i] 轉換為 t[1…j-1] ,也就是說d[i,j-1]=k,那么我們就可以將 t[j] 加上s[1..i],這樣總共就需要k+1個操作。

c、如果我們可以在k個步驟里面將 s[1…i-1] 轉換為 t [1…j-1],那么我們就可以將s[i]轉換為 t[j],使得滿足s[1..i] == t[1..j],這樣總共也需要k+1個操作。(這里加上cost,是因為如果s[i]剛好等於t[j],那么就不需要再做替換操作,即可滿足,如果不等,則需要再做一次替換操作,那么就需要k+1次操作)

因為我們要取得最小操作的個數,所以我們最后還需要將這三種情況的操作個數進行比較,取最小值作為d[i,j]的值;

d、然后重復執行3,4,5,6,最后的結果就在d[n,m]中;

圖解:

圖解過程如下:

step 1:初始化如下矩陣

step 2:從源串的第一個字符(“j”)開始,從上至下與目標串進行對比

如果兩個字符相等,則在從此位置的左,上,左上三個位置中取出最小的值;若不等,則在從此位置的左,上,左上三個位置中取出最小的值再加上1;

第一次,源串第一個字符“j” 與目標串的“j”對比,左,上,左上三個位置中取出最小的值0,因為兩字符相等,所以加上0;接着,依次對比“j”→“e”,“j”→“r”,“j”→“r”,,“j”→“y” 到掃描完目標串。

step 3:遍歷整個源串與目標串對比:

step 4:掃描完最后一列,則最后一個為最短編輯距離:

求出編輯距離,那么兩個字符串的相似度 Similarity = (Max(x,y) - Levenshtein)/Max(x,y),其中 x,y 為源串和目標串的長度。

核心代碼如下:

復制代碼
 public class LevenshteinDistance
    {
        private static LevenshteinDistance _instance = null;
        public static LevenshteinDistance Instance
        {
            get
            {
                if (_instance == null)
                {
                    return new LevenshteinDistance();
                }
                return _instance;
            }
        }
      
        public int LowerOfThree(int first, int second, int third)
        {
            int min = first;
            if (second < min)
                min = second;
            if (third < min)
                min = third;
            return min;
        }

        public int Compare_Distance(string str1, string str2)
        {
            int[,] Matrix;
            int n = str1.Length;
            int m = str2.Length;

            int temp = 0;
            char ch1;
            char ch2;
            int i = 0;
            int j = 0;
            if (n == 0)
            {
                return m;
            }
            if (m == 0)
            {

                return n;
            }
            Matrix = new int[n + 1, m + 1];

            for (i = 0; i <= n; i++)
            {
                Matrix[i, 0] = i;
            }

            for (j = 0; j <= m; j++)
            {
                Matrix[0, j] = j;
            }

            for (i = 1; i <= n; i++)
            {
                ch1 = str1[i - 1];
                for (j = 1; j <= m; j++)
                {
                    ch2 = str2[j - 1];
                    if (ch1.Equals(ch2))
                    {
                        temp = 0;
                    }
                    else
                    {
                        temp = 1;
                    }
                    Matrix[i, j] = LowerOfThree(Matrix[i - 1, j] + 1, Matrix[i, j - 1] + 1, Matrix[i - 1, j - 1] + temp);
                }
            }
          
            return Matrix[n, m];

        }

        public decimal LevenshteinDistancePercent(string str1, string str2)
        {
            int maxLenth = str1.Length > str2.Length ? str1.Length : str2.Length;
            int val = Compare_Distance(str1, str2);
            return 1 - (decimal)val / maxLenth;
        }
    }  
復制代碼


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