动态规划:0-1背包、完全背包问题 | 详细原理解释 | 代码及优化(C++)

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01背包


问题描述:


简单描述就是:


解析:


递推公式:


dp数组的初始化:


遍历顺序:


图解:


实现代码:


dp数组初始化:


遍历:


优化:


原理:


递推公式:


遍历顺序:


实现代码:


初始化:


遍历:


完全背包


问题描述:


解析:


实现代码:


01背包


问题描述:

01背包是在M件物品取出若干件放在空间为W的背包里,每件物品的体积为W1,W2至Wn,与之相对应的价值为P1,P2至Pn。01背包是

背包问题

中最简单的问题。01背包的约束条件是给定几种物品,每种物品有且只有一个,并且有权值和体积两个属性。在01背包问题中,因为每种物品只有一个,对于每个物品只需要考虑选与不选两种情况。如果不选择将其放入背包中,则不需要处理。如果选择将其放入背包中,由于不清楚之前放入的物品占据了多大的空间,需要枚举将这个物品放入背包后可能占据背包空间的所有情况。(来源:百度百科)



简单描述就是:


有N件物品和一个容量为M的背包。第 i 件物品的体积(也可以是重量等)是w[ i ],价值是v[ i ]。求解将哪些物品装入背包可使价值总和最大。


解析:



递推公式:




如果没接触过背包问题的话,应该首先会想到的是暴力写法,也就是回溯算法,把所有的情况都找出来,然后通过不断的比较和更新求出最大价值,显然这种方法的需要的时间是很长的,时间复杂度是2的n次方。

所以我们就要用


动态规划


,最重要的就是理解dp数组的含义,若是dp[ i ][ j ]数组不理解,后面的就更不可能理解了,

dp[ i ][ j ]数组的含义就是在0 ~ i的物品中选取放入 j 容量的背包得到的最大价值。

注意这里选取不是全都放进去的意思,是选择其中的任意几个放进去,一个物品是有两种状态的,已放入和未放入,就是对于前 i 个物品进行放入或未放入的选择后得到的最大价值。

现在我们对于前 i 个物品进行选择求出最大价值,一个物品有两个状态,写出递推公式:


i 不放入:dp[ i ][ j ] = dp[ i – 1 ][ j ]


i 确定放入:dp[ i ][ j ] = dp[ i – 1 ][ j – w[ i ] ] + v[ i ]


求最大:max(dp[ i – 1 ][ j ], dp[ i – 1 ][ j – w[ i ] ] + v[ i ])

不放入的递推公式好理解,就是已经确定第 i 件不放入了,那我们的最大价值就等于在前 i – 1的中选取放入 j 容量背包的最大价值。

确定放入的递推公式不好理解,因为我们这里已经确定第 i 件放入,那就说明 i 一定会放入,我们要把背包留出第 i 件的空间,所有我们就对于前 i – 1 件选取放入 j – w[ i ] 的容量中,这里减去的 w[ i ] 就是为第 i 件留出的空间,然后加上第 i 件的价值,就求出了确定放入的最大价值。

然后我们在

不放入



放入

之中获得他们的最大值就得到了dp[ i ][ j ],下面给出完整递推公式:

dp[i][j] = max(dp[i - 1][j], dp[i - 1][j - w[i]] + v[i]);



dp数组的初始化:


通过递推公式,我们可以发现dp[ i ][ j ]在二维数组中就是由其上面

dp[ i – 1 ][ j ]

和左上角

dp[ i – 1 ][ j – w[ i ] ]

的值求得,所以我们初始化dp数组

第一行



第一列

就可以。第一列背包空间为0,全部初始化为 0 ,第一行根据第 0 个物品的体积和背包大小比较来初始化即可。



遍历顺序:


其实先遍历背包或物品都是可以的,无非是一个以行遍历,一个以列遍历,通过模拟发现都是可以求出对应值的,一般先便利物品,方便理解。



图解:


给出初始化和代码执行流程的模拟,配合图来理解会更加深刻。


实现代码:

这里只给出主要代码,根据具体问题自行添加其他代码即可。



dp数组初始化:


// 二维数组,n 物品个数
vector<vector<int>> dp(n, vector<int>(bagw + 1, 0));

// 初始化
for (int j = w[0]; j <= bagw; j++) 
{
    dp[0][j] = v[0];
}



遍历:


// n 物品个数 ,m 背包大小
// 遍历物品
for (int i = 1; i < n; i++)
{
    //遍历背包
    for (int j = 0; j <= m; j++)
    { 
        if (j < w[i]) dp[i][j] = dp[i - 1][j];
        else dp[i][j] = max(dp[i - 1][j], dp[i - 1][j - w[i]] + v[i]);

    }
}

优化:



原理:







其实就是把二维数组变为一维数组,我们在二维遍历时,会发现在其求的值仅仅是用了上一层的数,而用不到其他的数字,所以我们就可以只维护一层数组,不断的更新本层的数来达到降维的作用。

所以递推的公式和遍历的顺序就要发生改变。



递推公式:



i 不放入:dp[ j ] = dp[ j ]


i 确定放入:dp[ j ] = dp[ j – w[ i ] ] + v[ i ]


求最大:max(dp[ j ], dp[ j – w[ i ] ] + v[ i ])



遍历顺序:


首先,优化后,我们只能先遍历物品,而不能先背包,毕竟我们模拟的是二维中先遍历背包的一层数组。

其次,在遍历内层背包时,我们只能

倒序

遍历,从大向小,从后向前,因为我们在二维中递推公式用的是左上角和上面的数求得,若从前向后遍历,根据递推公式,我们不断的更新了左侧的数,会使后面的数得到的是更新后的数,而不是原本上一层的数,而倒序就可以避免这个问题。

简单来说就是二维数组情况下,使用 i – 1 行的已知最大价值来推断,是左上角和上面的数据,但是换成一维数组的话,左上角的数据就是左边的数据,因此,只能从右边开始遍历背包的容量,如果从左边开始遍历的话,就会导致重复计算。



实现代码:




初始化:


// 初始化
vector<int> dp(n + 1, 0);



遍历:







两种方法一样,第一种和二维对应方便理解,而第二种比较简洁,因为一维用的是用一个数组,我们不去改变数的值就表示把自己赋值给自己的操作了。

// n 物品个数 ,m 背包大小
// 遍历物品
for (int i = 1; i <= n; i++)
{
    for (int j = m; j >= 0; j--)
    {
        if (j >= w[i]) dp[j] = max(dp[j], dp[j - w[i]] + v[i]);
        else dp[j] = dp[j];
    }
}
// n 物品个数 ,m 背包大小
// 遍历物品
for (int i = 0; i < n; i++)
{
    // 遍历背包
    for (int j = m; j >= w[i]; j--)
    {
        dp[j] = max(dp[j], dp[j - w[i]] + v[i]);

    }
}

完全背包


问题描述:

完全背包就是 01 背包的物品可以用多次。

解析:

写 01 背包代码的时候说了物品

从前向后

遍历会导致物品多次计算。而多重背包就是要多次取同一个物品,正好就对上了,所以我们的代码就很明确了。

实现代码:

// n 物品个数 ,m 背包大小
// 遍历物品
for (int i = 0; i < n; i++)
{
    // 遍历背包
    for (int j = w[i]; j <= m; j++)
    {
        dp[j] = max(dp[j], dp[j - w[i]] + v[i]);

    }
}



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