动态规划之背包问题

题目来源于背包九讲以及https://www.bilibili.com/video/av33930433?p=2以及https://www.acwing.com/problem/content/2/

先来看01背包和完全背包,这两个作为最基础的可以进行对比

01背包:物体只能被选一次或者不选
完全背包:物体可以选无限次

先定义二维f[i][v]为前i件物品,在不大于v空间下的最大价值

一般题目要求有两种 1.不要求装满整个背包 2.恰好装满整个背包
1.不要求装满整个背包:全部初始值定义为0,f[n][v]可以由f[m][0]进行转移所得,f[n][v]即最大值
如果只有f[0][0]定义为0,其他f[i][0]定位为-INF的话,那么max(f[n][0],...f[n][v])才是结果
2.恰好装满整个背包
那对应上面的,只有f[0][0]定义为0,其他f[i][0]定位为-INF,f[n][v]是最后的结果
所以一般两种问题,选取初始化方式不一样。

然后回到01背包和完全背包,01背包二维转移方式如下
for i : n 物体转移
for j: v[i] V 容量转移
f[i][j]= max(f[i-1][j],f[i-1][j-v[i]]+w[i])
一般就这么写,二维的表示
然后经常默认空间优化到一维,上式中f[i][j]由f[i-1][j-v[i]推到的,如果直接去掉一维,那么f[j]由f[j-v[i]推到,但按从小到大的顺序,这个表达的是f[i][j]由f[i][j-v[i]推倒的,因为f[i][j-v[i]先更新。。所以容量转移需要从大到小进行遍历。
01背包一维转移方式如下
for i : n 物体转移
for j: V v[i] 容量转移
f[j]= max(f[j],f[j-v[i]]+w[i])

然后是完全背包,完全背包就是可以选无限次。
完全背包一维转移方式如下
for i : n 物体转移
for j:v[i] V 容量转移
f[j]= max(f[j],f[j-v[i]]+w[i])
就第二维反了过来,意思就是f[i][j]可以由f[i][j-v[i]推到到,即可以从f[i][j-v[i]-v[i]]推倒的,即可以取无限次。。。

两道题代码如下:

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int n,v;
const int N=1005;
int f[N];

int main()
{
    int a,b;
    cin>>n>>v;
    for(int i=0;i<n;i++)
    {
        cin>>a>>b;
        for(int i=v;i>=a;i--)
        {
            f[i]=max(f[i],f[i-a]+b);
        }
    }
    cout<<f[v]<<endl;    
}
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int n,v;
const int N=1005;
int f[N];

int main()
{
    int a,w;
    cin>>n>>v;
    for(int i=0;i<n;i++)
    {
        cin>>a>>w;
        for(int j=a;j<=v;j++)
        {
            f[j]=max(f[j],f[j-a]+w);
        }
    }
    cout<<f[v]<<endl;
}

接下来是多重背包,多重背包是01背包的扩展版,每一个物品可以选c次,多了一维,然后可以直接加一个循环,变成O(N^3)的算法复杂度。
多重背包一维转移方式如下//O(N^3)
for i : n 物体转移
for j: V v[i] 容量转移
for k: 0:min(j/v[i],c)
f[j]= max(f[j],f[j-kv[i]]+kw[i])

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int n,v;
const int N=1005;
int f[N];

int main()
{
    cin>>n>>v;
    int a,w,s;
    for(int i=0;i<n;i++)
    {
        cin>>a>>w>>s;
        for(int j=v;j>=a;j--)
        {
            for(int k=0;k<=min(j/a,s);k++)
                f[j]=max(f[j],f[j-k*a]+k*w);
        }
    }
    cout<<f[v]<<endl;
}

但数据比较大的时候,就需要优化一下了,下面给出两种优化,一种是二进制拆分,第二种是单调队列优化。
二进制优化,把s件物品分成1,2,4,8,16...s-*这样的件数,把O(n)的复杂度降到O(logn)

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int n,v;
const int N=2005;
int f[N];
vector<pair<int,int>> g;
int main()
{
    int a,w,s;
    cin>>n>>v;
    for(int i=0;i<n;i++)
    {
        cin>>a>>w>>s;
        for(int j=1;j<=s;j*=2)
        {
            g.push_back(make_pair(j*a,j*w));
            s-=j;
        }
        if(s>0)
        g.push_back(make_pair(s*a,s*w));
    }
    int m=g.size();
    for(int i=0;i<m;i++)
        for(int j=v;j>=g[i].first;j--)
        {
            f[j]=max(f[j],f[j-g[i].first]+g[i].second);
        }
    cout<<f[v]<<endl;
}

单调队列优化是更好的办法。
单调队列就是维护一个具有单调性的队列,递增或者递减,可以在O(n)复杂度维护一个序列的最值问题,用于之前滑动窗口那道题,

这道题因为f[j]只能由f[j-kv[i]]转移所得,即f[j-v[i]],f[j-2v[i]]等推到,也就是这些数对v的取模都是一样的,
混合背包:有的物品符合01背包的规则,有的物品符合完全背包的规则,还有的物品符合多重背包的规则

二维费用的背包问题:有两个条件的限制,比如重量限制和容量限制

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