我的背包,重讲了!!(背到现在还没烂?

文摘   2024-12-06 11:32   广东  

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之前在讲解 完全背包的时候,没有从 二维DP数组 开始讲解,因为当时讲 01背包就是从 二维dp数组开始讲的,感觉大家类比一下就好了。

在代码随想录公开课完全背包章节:https://www.bilibili.com/video/BV1uK411o7c9

录友们也反馈,二维dp数组更容易理解,特别是递推公式的不同:

所以,关于完全背包我再重讲一遍,本篇从二维DP数组开始分析

这次我重点讲:完全背包和01背包在二维DP数组中递推公式的区别

先给大家概括一下:

  • 01背包 二维数组 是从 上一层左侧的状态推导出来。
  • 完全背包 二维数组 是 从本层左侧的状态推导出来。

为啥啊?凭啥啊?

细心看下面的讲解:

完全背包

题目链接:https://kamacoder.com/problempage.php?pid=1052

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。

完全背包和01背包问题唯一不同的地方就是,每种物品有无限件

同样leetcode上没有纯完全背包问题,都是需要完全背包的各种应用,需要转化成完全背包问题,所以我这里还是以纯完全背包问题进行讲解理论和原理。

在下面的讲解中,我拿下面数据举例子:

背包最大重量为4,物品为:


重量价值
物品0115
物品1320
物品2430

每件商品都有无限个!

问背包能背的物品最大价值是多少?

动规五部曲分析完全背包,为了从原理上讲清楚,我们先从二维dp数组分析:


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,每个物品可以取无限次,放进容量为j的背包,价值总和最大是多少

很多录友也会疑惑,凭什么上来就定义 dp数组,思考过程是什么样的, 这个思考过程我在 01背包理论基础(二维数组) 中的 “确定dp数组以及下标的含义” 有详细讲解。

2. 确定递推公式

这里在把基本信息给出来:


重量价值
物品0115
物品1320
物品2430

对于递推公式,首先我们要明确有哪些方向可以推导出 dp[i][j]。

这里依然拿dp[1][4]的状态来举例:(01背包理论基础(二维数组) 中也是这个例子,要注意下面的不同之处)

求取 dp[1][4] 有两种情况:

  1. 放物品1
  2. 还是不放物品1

如果不放物品1, 那么背包的价值应该是 dp[0][4] 即 容量为4的背包,只放物品0的情况。

推导方向如图:

如果放物品1, 那么背包要先留出物品1的容量,目前容量是4,物品1 的容量(就是物品1的重量)为3,此时背包剩下容量为1。

容量为1,只考虑放物品0 和物品1 的最大价值是 dp[1][1], 注意 这里和  01背包理论基础(二维数组) 有所不同了

在  01背包理论基础(二维数组) 中,背包先空留出物品1的容量,此时容量为1,只考虑放物品0的最大价值是 dp[0][1],因为01背包每个物品只有一个,既然空出物品1,那背包中也不会再有物品1

而在完全背包中,物品是可以放无限个,所以 即使空出物品1空间重量,那背包中也可能还有物品1,所以此时我们依然考虑放 物品0 和 物品1 的最大价值即:dp[1][1], 而不是 dp[0][1]

所以 放物品1 的情况 = dp[1][1] + 物品1 的价值,推导方向如图:

注意上图和  01背包理论基础(二维数组) 中的区别,对于理解完全背包很重要)

两种情况,分别是放物品1 和 不放物品1,我们要取最大值(毕竟求的是最大价值)

dp[1][4] = max(dp[0][4], dp[1][1] + 物品1 的价值)

以上过程,抽象化如下:

  • 不放物品i:背包容量为j,里面不放物品i的最大价值是dp[i - 1][j]。

  • 放物品i:背包空出物品i的容量后,背包容量为j - weight[i],dp[i][j - weight[i]] 为背包容量为j - weight[i]且不放物品i的最大价值,那么dp[i][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

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

(注意,完全背包二维dp数组 和 01背包二维dp数组 递推公式的区别,01背包中是 dp[i - 1][j - weight[i]] + value[i])

3. dp数组如何初始化

关于初始化,一定要和dp数组的定义吻合,否则到递推公式的时候就会越来越乱

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。如图:

动态规划-背包问题2

在看其他情况。

状态转移方程 dp[i][j] = max(dp[i - 1][j], dp[i][j - weight[i]] + value[i]); 可以看出有一个方向 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: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。

j >= weight[0]时,dp[0][j] 如果能放下weight[0]的话,就一直装,每一种物品有无限个

代码初始化如下:

for (int i = 1; i < weight.size(); i++) {  // 当然这一步,如果把dp数组预先初始化为0了,这一步就可以省略,但很多同学应该没有想清楚这一点。
    dp[i][0] = 0;
}

// 正序遍历,如果能放下就一直装物品0
for (int j = weight[0]; j <= bagWeight; j++)
    dp[0][j] = dp[0][j - weight[0]] + value[0];

(注意上面初始化和 01背包理论基础(二维数组)的区别在于物品有无限个)

此时dp数组初始化情况如图所示:

dp[0][j] 和 dp[i][0] 都已经初始化了,那么其他下标应该初始化多少呢?

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]  是由上方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。

最后初始化代码如下:

// 初始化 dp
vector<vector<int>> dp(weight.size(), vector<int>(bagweight + 10));
for (int j = weight[0]; j <= bagWeight; j++) {
    dp[0][j] = dp[0][j - weight[0]] + value[0];
}

4. 确定遍历顺序

01背包理论基础(二维数组) 中我们讲过,01背包二维DP数组,先遍历物品还是先遍历背包都是可以的。

因为两种遍历顺序,对于二维dp数组来说,递推公式所需要的值,二维dp数组里对应的位置都有。

详细可以看 01背包理论基础(二维数组) 中的 【遍历顺序】的讲解

所以既可以 先遍历物品再遍历背包:

for (int i = 1; i < n; i++) { // 遍历物品
    for(int j = 0; j <= bagWeight; j++) { // 遍历背包容量
        if (j < weight[i]) dp[i][j] = dp[i - 1][j];
        else dp[i][j] = max(dp[i - 1][j], dp[i][j - weight[i]] + value[i]);
    }
}

也可以 先遍历背包再遍历物品:

for(int j = 0; j <= bagWeight; j++) { // 遍历背包容量
    for (int i = 1; i < n; i++) { // 遍历物品
        if (j < weight[i]) dp[i][j] = dp[i - 1][j];
        else dp[i][j] = max(dp[i - 1][j], dp[i][j - weight[i]] + value[i]);
    }
}

5. 举例推导dp数组

以本篇举例数据为例,填满了dp二维数组如图:

因为 物品0 的性价比是最高的,而且 在完全背包中,每一类物品都有无限个,所以有无限个物品0,既然物品0 性价比最高,当然是优先放物品0。

本题代码:

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
    int n, bagWeight;
    int w, v;
    cin >> n >> bagWeight;
    vector<intweight(n);
    vector<intvalue(n);
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        cin >> weight[i] >> value[i];
    }

    vector<vector<int>> dp(n, vector<int>(bagWeight + 10));

    // 初始化
    for (int j = weight[0]; j <= bagWeight; j++)
        dp[0][j] = dp[0][j - weight[0]] + value[0];

    for (int i = 1; i < n; i++) { // 遍历物品
        for(int j = 0; j <= bagWeight; j++) { // 遍历背包容量
            if (j < weight[i]) dp[i][j] = dp[i - 1][j];
            else dp[i][j] = max(dp[i - 1][j], dp[i][j - weight[i]] + value[i]);
        }
    }

    cout << dp[n - 1][bagWeight] << endl;

    return 0;
}


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