6.2 休息日 背包问题总结

就目前所遇到的01背包与完全背包作总结。

01背包

有n件物品和一个最多能背重量为w 的背包。第i件物品的重量是weight[i],得到的价值是value[i] 。每件物品只能用一次,求解将哪些物品装入背包里物品价值总和最大。

二维dp数组01背包

动规五部曲

1.确定dp数组以及下标的含义

dp[i][j] 表示从下标为[0-i]的物品里任意取,放进容量为j的背包,价值总和最大是多少

2.确定递推公式

  • 不放物品i:由dp[i - 1][j]推出,即背包容量为j,里面不放物品i的最大价值,此时dp[i][j]就是dp[i - 1][j]。(其实就是当物品i的重量大于背包j的重量时,物品i无法放进背包中,所以背包内的价值依然和前面相同。)
  • 放物品i:由dp[i - 1][j - weight[i]]推出,dp[i - 1][j - weight[i]] 为背包容量为j - weight[i]的时候不放物品i的最大价值,那么dp[i - 1][j - weight[i]] + value[i] (物品i的价值),就是背包放物品i得到的最大价值

所以递归公式: dp[i][j] = max(dp[i - 1][j], dp[i - 1][j - weight[i]] + value[i]);

3.dp数组如何初始化

首先从dp[i][j]的定义出发,如果背包容量j为0的话,即dp[i][0],无论是选取哪些物品,背包价值总和一定为0。

状态转移方程 dp[i][j] = max(dp[i - 1][j], dp[i - 1][j - weight[i]] + value[i]); 可以看出i 是由 i-1 推导出来,那么i为0的时候就一定要初始化。

dp[0][j],即:i为0,存放编号0的物品的时候,各个容量的背包所能存放的最大价值。

那么很明显当 j < weight[0]的时候,dp[0][j] 应该是 0,因为背包容量比编号0的物品重量还小。

当j >= weight[0]时,dp[0][j] 应该是value[0],因为背包容量放足够放编号0物品。

其实从递归公式: dp[i][j] = max(dp[i - 1][j], dp[i - 1][j - weight[i]] + value[i]); 可以看出dp[i][j] 是由左上方数值和左方数值推导出来了,那么 其他下标初始为什么数值都可以,因为都会被覆盖。

但只不过一开始就统一把dp数组统一初始为0,更方便一些。

4.确定遍历顺序

先遍历物品与先遍历背包均可。虽然两个for循环遍历的次序不同,但是dp[i][j]所需要的数据就是左上角(包括左与正上),根本不影响dp[i][j]公式的推导!

5.举例推导/打印dp数组

一维数组(滚动数组)

滚动数组的由来,需要满足的条件是上一层可以重复利用,直接拷贝到当前层。

动规五部曲

1.确定dp数组的定义

在一维dp数组中,dp[j]表示:容量为j的背包,所背的物品价值可以最大为dp[j]。

2.一维dp数组的递推公式

dp[j]为 容量为j的背包所背的最大价值,那么如何推导dp[j]呢?

dp[j]可以通过dp[j - weight[i]]推导出来,dp[j - weight[i]]表示容量为j - weight[i]的背包所背的最大价值。

dp[j - weight[i]] + value[i] 表示 容量为 j - 物品i重量 的背包 加上 物品i的价值。(也就是容量为j的背包,放入物品i了之后的价值即:dp[j])

此时dp[j]有两个选择,一个是取自己dp[j] 相当于 二维dp数组中的dp[i-1][j],即不放物品i,一个是取dp[j - weight[i]] + value[i],即放物品i,指定是取最大的,毕竟是求最大价值。

3.一维dp数组如何初始化

dp[j]表示:容量为j的背包,所背的物品价值可以最大为dp[j],那么dp[0]就应该是0,因为背包容量为0所背的物品的最大价值就是0。

那么dp数组除了下标0的位置,初始为0,其他下标应该初始化多少呢?

看一下递归公式:dp[j] = max(dp[j], dp[j - weight[i]] + value[i]);

dp数组在推导的时候一定是取价值最大的数,如果题目给的价值都是正整数那么非0下标都初始化为0就可以了。

4.一维dp数组遍历顺序

与二维dp的写法,遍历背包的顺序是不一样的!

二维dp遍历的时候,背包容量是从小到大,而一维dp遍历的时候,背包是从大到小。

倒序遍历是为了保证物品i只被放入一次!。但如果一旦正序遍历了,那么物品0就会被重复加入多次!从后往前循环,每次取得状态不会和之前取得状态重合,这样每种物品就只取一次了。

那么问题又来了,为什么二维dp数组遍历的时候不用倒序呢?

因为对于二维dp,dp[i][j]都是通过上一层即dp[i - 1][j]计算而来,本层的dp[i][j]并不会被覆盖!

再来看看两个嵌套for循环的顺序,代码中是先遍历物品嵌套遍历背包容量,那可不可以先遍历背包容量嵌套遍历物品呢?

不可以!

因为一维dp的写法,背包容量一定是要倒序遍历,如果遍历背包容量放在上一层,那么每个dp[j]就只会放入一个物品,即:背包里只放入了一个物品。

倒序遍历的原因是,本质上还是一个对二维数组的遍历,并且右下角的值依赖上一层左上角的值,因此需要保证左边的值仍然是上一层的,从右向左覆盖

5.举例推导dp数组

完全背包

有N件物品和一个最多能背重量为W的背包。第i件物品的重量是weight[i],得到的价值是value[i] 。每件物品都有无限个(也就是可以放入背包多次),求解将哪些物品装入背包里物品价值总和最大。

二维数组

动规五部曲

1.确定dp数组以及下标的含义

dp[i][j] 表示从下标为[0-i]的物品里任意取任意件,放进容量为j的背包,价值总和最大是多少

2.确定递推公式

  • 不放物品i:由dp[i - 1][j]推出,即背包容量为j,里面不放物品i的最大价值,此时dp[i][j]就是dp[i - 1][j]。(其实就是当物品i的重量大于背包j的重量时,物品i无法放进背包中,所以背包内的价值依然和前面相同。)
  • 放k件物品i
  • 参考:【超精细!】动态规划---完全背包问题全面解读!!_哔哩哔哩_bilibili

所以递归公式: dp[i][j] = max(dp[i-1][j], dp[i ][j - weight[i]] + value[i]);  //同层取n件

3.dp数组如何初始化

首先从dp[i][j]的定义出发,如果背包容量j为0的话,即dp[i][0],无论是选取哪些物品,背包价值总和一定为0。

状态转移方程 dp[i][j] = max(dp[i-1][j], dp[i ][j - weight[i]] + value[i]);  可以看出i 是由 i-1 和同一层之前 推导出来,那么i为0的时候就一定要初始化。

dp[0][j],即:i为0,存放任意件编号0的物品的时候,各个容量的背包所能存放的最大价值。

那么很明显当 j < weight[0]的时候,dp[0][j] 应该是 0,因为背包容量比编号0的物品重量还小。

当j >= weight[0]时,dp[0][j] 应该是dp[0][j] = dp[0][j-weight[0]]+value[0]; //多次选取,因为背包容量放足够放多件编号0物品。

其实从递归公式: dp[i][j] = max(dp[i-1][j], dp[i ][j - weight[i]] + value[i]); 可以看出dp[i][j] 是由左上方数值和左方数值推导出来了,那么 其他下标初始为什么数值都可以,因为都会被覆盖。

但只不过一开始就统一把dp数组统一初始为0,更方便一些。

4.确定遍历顺序 在代码中使用了先物品后背包

先遍历物品与先遍历背包均可。虽然两个for循环遍历的次序不同,但是dp[i][j]所需要的数据就是左上角(包括左与正上),根本不影响dp[i][j]公式的推导!

因为物品有无限个所以内层循环可以正序遍历重复放入。

再来看看两个嵌套for循环的顺序,代码中是先遍历物品嵌套遍历背包容量,那可不可以先遍历背包容量嵌套遍历物品呢?

可以!

在完全背包中,对于一维dp数组来说,其实两个for循环嵌套顺序是无所谓的!因为两个for循环都是正序遍历,物品有无数个,先遍历物品与先遍历背包得到的结果是相同的,所以遍历顺序可以改变。因为dp[j] 是根据 下标j之前(左边)所对应的dp[j]计算出来的。 只要保证下标j之前的dp[j]都是经过计算的就可以了。

5.举例推导/打印dp数组

package day62;


import java.lang.*;

public class day62{
    public static void main (String[] args) {
        int n = 4;
        int w = 5;
        int[][] dp = new int[n][w+1];
        int [] weight = new int []{1,2,3,4};
        int [] value = new int []{2,4,5,6};


        for (int j = weight[0]; j <= w; j++) {
            dp[0][j] = dp[0][j-weight[0]]+value[0];   //多次选取
        }

        for(int i = 1 ; i< n ; i++){
            for(int j = 1; j <= w; j++){
                if (j - weight[i] >= 0) dp[i][j] = Math.max(dp[i-1][j], dp[i][j-weight[i]] + value[i]);
                else   dp[i][j] = dp[i-1][j];
            }
        }

        // 打印dp数组
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            for (int j = 0; j <= w; j++) {
                System.out.print(dp[i][j] + "\t");
            }
            System.out.println("\n");
        }
        System.out.println(dp[n-1][w]);
    }
}

一维数组

动规五部曲


1.确定dp数组的定义

在一维dp数组中,dp[j]表示:容量为j的背包,所背的物品价值可以最大为dp[j]。

2.一维dp数组的递推公式

dp[j]为 容量为j的背包所背的最大价值,那么如何推导dp[j]呢?

dp[j]可以通过dp[j - weight[i]]推导出来,dp[j - weight[i]]表示容量为j - weight[i]的背包所背的最大价值。

dp[j - weight[i]] + value[i] 表示 容量为 j - 物品i重量 的背包 加上 物品i的价值。(也就是容量为j的背包,放入物品i了之后的价值即:dp[j])

此时dp[j]有两个选择,一个是取自己dp[j] 相当于 二维dp数组中的dp[i-1][j],即不放物品i,一个是取dp[j - weight[i]] + value[i],即放物品i,指定是取最大的,毕竟是求最大价值,

3.一维dp数组如何初始化

dp[j]表示:容量为j的背包,所背的物品价值可以最大为dp[j],那么dp[0]就应该是0,因为背包容量为0所背的物品的最大价值就是0。

dp数组在推导的时候一定是取价值最大的数,如果题目给的价值都是正整数那么非0下标都初始化为0就可以了。

这样才能让dp数组在递归公式的过程中取的最大的价值,而不是被初始值覆盖了。

4.一维dp数组遍历顺序

因为物品有无限个所以内层循环可以正序遍历重复放入。

再来看看两个嵌套for循环的顺序,代码中是先遍历物品嵌套遍历背包容量,那可不可以先遍历背包容量嵌套遍历物品呢?

可以!

在完全背包中,对于一维dp数组来说,其实两个for循环嵌套顺序是无所谓的!因为两个for循环都是正序遍历,物品有无数个,先遍历物品与先遍历背包得到的结果是相同的,所以遍历顺序可以改变。因为dp[j] 是根据 下标j之前(左边)所对应的dp[j]计算出来的。 只要保证下标j之前的dp[j]都是经过计算的就可以了。

5.举例推导/打印dp数组

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