4.2. THUậT TOÁN QUY HOạCH ĐộNG
4.2.1. Giải thuật Needleman Wunsch
Xét hai trình tự:
CGTGAATTCAT (trình tự # 1) GACTTAC (trình tự # 2)
Chiều dài (trong ví dụ là số lượng của cácký tự) của trình tự 1 là = 7và củatrình tự 2 là = 7. Ma trận ban đầu được tạo ra với + 1 cột và + 1 dòng. Thêm hàng và cột để phù hợp với khoảng cách, tại thời điểm bắt đầu của ma trận như trong Hình 4.5.
Hình 4.5: Ma trận ban đầu
Sau khi tạo ma trận ban đầu, q trình tính điểmsẽ được xác định cụ thể với từng bài tốn cụ thể. Điểm ban đầu có thể cho đơn giản như sau: nếu hai thành phần ở vị trí thứ và thứ là giống nhau, điểm phù hợp là 1 ( ( , ) = 1) hoặc nếu hai thành phần tại và thứ không giống nhau, điểm không phù hợp được giả thiết là -1 ( ( , ) = −1). Điểm số khoảng cách ( ) hoặc phạt khoảng cách được giả thiết là -1.
Điểm khoảng cách được xem như là điểm phạt trong bài tốngióng hàng, khi chúng có hiện tượng chèn vào hoặc xóa.
Tính tốn ma trận quy hoạch động theo ba bước: – Khởi tạo ma trận với số điểm ban đầu. – Điền ma trận.
4.2.1.1. Bước khởi tạo
Ví dụ này giả thiết rằng có phạt khoảng cách. Hàng đầu tiên và cột đầu tiên của ma trận có thể lấp đầy với 0.Khi giả thiết có tính tới điểm phạt khoảng cách thì điểm khoảng cách sẽ được thêm vào các ơ phía trước của hàng hoặc cột (Hình 4.6).
Hình 4.6: Ma trận điểm tại bước khởi tạo
4.2.1.2. Bước điền đầy ma trận
Bước thứ hai, là bước điền đầy ma trận bắt đầu từ góc trên bên trái của ma trận, là bước quan trọng của thuật toán. Để tìm số điểm cực đại của mỗi ơ, thuật tốn cần biết các điểm lân cận (đường chéo, bên trái và bêntrên) của vị trí hiện tại. Từ các giá trị đó, thêm điểm số ứng với trường hợpphù hợp hoặc khơng phù hợp. Tương tự như vậy, phải tính thêm số điểm của khoảng cách sinh ra với các giá trị lân cận khác. Vì vậy, chúng ta có thể có được ba giá trị khác nhau, từ đó lấy cực đạicácgiá trị đó và điền vào vị trí thứ và thứ với số điểm đạt được.
Xét về vị trí ma trận, điều quan trọng là phải biết được giá trị tại
[ ( − 1, − 1) + ( , ), ( , − 1) + , ( − 1, ) + ]
Cơng thức tính điểm tại ơ , của ma trận như sau
, = max[ , + , , , + , , + ] (4.1)
Để tính giá trị tại các vị trí hiện tại (vị trí đầu tiên M1,1) thông qua các công thức
đã nêu ở trên. Cặp ký tự đầu tiên trong 2 trình tự ví dụ là “G” và “C”. Hai ký tự không khớp nhau nên điểm số sẽ là -1 ( , = − 1).
= max[0 + (−1), 0 + (−1), 0 + (−1)] = max[−1, −1, −1]
= −1
Điểm số thu được −1 được đặt ở vị trí ( , ) = (1,1) của ma trận điểm. Tương tự như vậy, bằng cách sử dụng phương trình và phương pháp trên để điền vào tất cả các hàng và cột cịn lại.
Hình 4.7: Ma trận đã điền đầy
4.2.1.3. Bước quay lui
Bước cuối cùng trong thuật toán là lần theo các dấu vết để lại để được trình tựgióng hàng tốt nhất. Trong ví dụ trên, ta có thể thấy phía dưới bên phải điểm mặt góc là -1. Điểm quan trọng cần lưu ý ở đây là có thể có hai hoặc nhiều hơn cáchgióng hàng giữa hai trình tự ở ví dụ.
Tại các ơcó giá trị -1, thì trongcác ơ phía trước nó, ơ có số điểm cực đại đạt được là nằm theo đường chéo và giá trị của nó là 0. Nếu có hai hoặc nhiều hơn các giá trị có thể trở lại, thì có thể có hai hoặc nhiều hơn cách gióng hàng.
Bằng cách tiếp tục quay lui lại các dấu vết để lại theo phương pháp ở trên, người ta sẽ đi đến hàng 0, cột 0. Làm theo các bước mơ tả ở trên, với ví dụ ban đầu ta sẽ có 2 trình tự được gióng hàng.
Hình 4.8: Các trình tự được gióng hàng có thể có