动态规划:背包问题

简介: 背包问题

 

题目描述:

 

n 个物品和一个大小为 m 的背包. 给定数组 A 表示每个物品的大小和数组 V 表示每个物品的价值.问最多能装入背包的总价值是多大?

    1. A[i], V[i], n, m 均为整数
    2. 你不能将物品进行切分
    3. 你所挑选的要装入背包的物品的总大小不能超过 m
    4. 每个物品只能取一次
    5. m <= 1000m<=1000\

    len(A),len(V)<=100len(A),len(V)<=100

    思路分析:

    对于每一个物品,它有四种情况:

    ①价值大,体积大。②价值大,体积小。③价值小,体积大。④价值小,体积小。

    因此,在一个背包中,在装入物品的时候,我们需要考虑一种特殊情况和两种常见情况。

    特殊情况:装不下。常见情况:放和不放。

    我们先定义问题需要的状态:

    F(i,j):表示从第i个商品中选择了商品后,大小为j的背包的价值。

    状态转移方程:

    图中,F中的i是从1开始的,A和V中的i和j是从0开始的。

    ]%N{ZAFLF0H7_8(GC9OU88V.png

    特殊情况:如果装不下,那么此时的价值和前i-1个情况的价值是一样的,即F(i,j) = F(i-1,j);

    如果可以装入:需要在两种选择中找最大的,即F(i, j) = max{F(i-1,j), F(i-1, j - A[i]) + V[i]}。

    其中,F(i-1,j): 表示不把第i个物品放入背包中, 所以它的价值就是前i-1个物品放入大小为j的背包的最大价值。F(i-1, j - A[i]) + V[i]:表示把第i个物品放入背包中,价值增加V[i],但是需要腾出j - A[i]的大小放第i个商品。

    初始化:第0行和第0列都为0,表示没有装物品时的价值都为0,即F(0,j) = F(i,0) = 0;

    A9BMF18MS%0R7W0FJ7OH3WR.png

    返回值:F(n,m);

    代码如下:

    int backPackII(int m, vector<int> &a, vector<int> &v) {
            // write your code here
            if(a.empty() || v.empty() || m< 1)
            {
                return 0;
            }
            //多加一行一列,用于设置初始条件
            int N = a.size()+1;
            int M = m+1;
            vector<vector<int>> ret(N,vector<int>(M,0));
            for(int i = 1;i<N;++i)
            {
                for(int j = 1;j<M;++j)
                {
                    //如果物品的体积大于j,说明放不下了
                    //那就跟i-1的价值意义
                    if(a[i-1]>j)
                    {
                        ret[i][j] = ret[i-1][j];
                    }
                    else //装得下,放或不放
                    {
                        //如果不放,那价值也跟i-1的价值一样
                        //如果放,需要腾出放物品i的空间
                        ret[i][j] = max(ret[i-1][j],ret[i-1][j-a[i-1]]+v[i-1]);
                    }
                }
            }
            return ret[N-1][m];
        }

    image.gif

    优化:

    上面的算法在计算第i行元素时,只用到第i-1行的元素,所以二维的空间可以优化为一维空间。但是如果是一维向量,需要从后向前计算,因为后面的元素更新需要依靠前面的元素未更新(模拟二维矩阵的上一行的值)的值。

    int backPackII(int m, vector<int> A, vector<int> V) {
      if (A.empty() || V.empty() || m < 1) 
      {
        return 0;
      } 
      const int N = A.size();
      //多加一列,用于设置初始条件,因为第一件商品要用到前面的初始值
      const int M = m + 1;
      vector<int> result;
      //初始化所有位置为0,第一行都为0,初始条件
      result.resize(M, 0);
      //这里商品的索引位置不需要偏移,要和未优化的方法区分开
    //这里的i-1理解为上一行,或者未更新的一维数组值
      for (int i = 0; i != N; ++i)
      {
        for (int j = M - 1; j > 0; --j) 
        {
          //如果第i个商品大于j,说明放不下, 所以(i,j)的最大价值和(i-1,j)相同
          if (A[i] > j) 
          {
            result[j] = result[j];
          } //如果可以装下,分两种情况,装或者不装
            //如果不装,则即为(i-1, j)
            //如果装,需要腾出放第i个物品大小的空间: j - A[i]
            // 装入之后的最大价值即为(i - 1, j -A[i - 1]) + 第i个商品的价值V[i]
            //最后在装与不装中选出最大的价值
          else 
          {
            int newValue = result[j - A[i]] + V[i];
            result[j] = max(newValue, result[j]);
          }
        }
      } //返回装入前N个商品,物品大小为m的最大价值
        return result[m];
    };

    image.gif

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