编辑距离(Levenshtein Distance)及其在Python中的应用

引言

编辑距离(Levenshtein Distance)是一种衡量两个字符串之间相似度的指标。它定义为将一个字符串转换为另一个字符串所需的最少操作次数,操作包括插入、删除和替换字符。

编辑距离在计算机科学中有广泛的应用,例如拼写检查、DNA序列比对和文本相似度分析等。在本文中,我们将介绍编辑距离的概念及其在Python中的应用。

编辑距离的定义

给定两个字符串s和t,编辑距离可以通过以下递归公式定义:

d(s, t) = {
    0, if s == t,
    d(s[1:], t[1:]), if s[0] == t[0],
    1 + min(d(s[1:], t), d(s, t[1:]), d(s[1:], t[1:])), otherwise
}

其中,d(s, t)表示字符串s和t之间的编辑距离,s[1:]表示s去除第一个字符之后的子串,t[1:]表示t去除第一个字符之后的子串。

动态规划求解编辑距离

上述的递归公式可以通过动态规划的方法求解。我们可以使用一个二维数组dp来保存中间结果,其中dp[i][j]表示字符串s的前i个字符和字符串t的前j个字符之间的编辑距离。

def edit_distance(s, t):
    m, n = len(s), len(t)
    dp = [[0] * (n+1) for _ in range(m+1)]
    
    for i in range(m+1):
        dp[i][0] = i
    for j in range(n+1):
        dp[0][j] = j
    
    for i in range(1, m+1):
        for j in range(1, n+1):
            if s[i-1] == t[j-1]:
                dp[i][j] = dp[i-1][j-1]
            else:
                dp[i][j] = 1 + min(dp[i-1][j], dp[i][j-1], dp[i-1][j-1])
    
    return dp[m][n]

示例

我们来看一个具体的例子,计算字符串"leetcode"和"editdistance"之间的编辑距离。

s = "leetcode"
t = "editdistance"
distance = edit_distance(s, t)
print(distance)  # 输出结果为6

状态图

下面是编辑距离求解过程中的状态转移图:

stateDiagram
    [*] --> dp[0][0]
    dp[0][0] --> dp[0][1]
    dp[0][0] --> dp[1][0]
    dp[0][1] --> dp[1][1]
    dp[0][1] --> dp[0][2]
    dp[1][0] --> dp[2][0]
    dp[1][1] --> dp[2][1]
    dp[1][1] --> dp[1][2]
    dp[1][1] --> dp[2][2]
    dp[1][2] --> dp[2][2]
    dp[2][0] --> dp[3][0]
    dp[2][1] --> dp[3][0]
    dp[2][1] --> dp[2][2]
    dp[2][2] --> dp[3][2]
    dp[2][2] --> dp[2][3]
    dp[3][0] --> dp[4][0]
    dp[3][0] --> dp[3][1]
    dp[3][0] --> dp[4][1]
    dp[3][1] --> dp[4][2]
    dp[3][1] --> dp[3][2]
    dp[3][1] --> dp[4][3]
    dp[3][2] --> dp[4][2]
    dp[3][2] --> dp[4][3]
    dp[3][2] --> dp[3][3]
    dp[4][0] --> dp[5][0]
    dp[4][1] --> dp[5][0]
    dp[4][1] --> dp[4][2]
    dp[4][1] --> dp[5][2]
    dp[4][2] --> dp[5][2]
    dp[4][