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[动态规划第一节]背包问题汇总

2023-08-14 17:05 由 MoiLip 发表于 #其他

  • 背包问题

    • 动态规划思路：

      • 状态表示 f(i, j)

        • 状态由几维表示
          • 表示的集合是什么
            • 所有选法
            • 选法条件
              • 只考虑前i个物品
              • 总体积 <= j
          • 集合的属性是什么
            • 最大值
            • 最小值
            • 元素的数量

      • 状态计算

        • 集合的划分 f(i, j)
          • 不含第i个物品
            • f(i - 1, j)
          • 包含第i个物品
            • f(i - 1, j - vi) 已知第i个物品必选，那么只要保证前i-1个物品为最大值

    • 01背包

      • 每件物品最多取一次
      • 朴素代码：
        const int N = 1e3 + 10;
int f[N][N], v[N], w[N];
int n, m;

int main(){
    cin >> n >> m;
    for(int i = 1; i <= n; ++ i) cin >> v[i] >> w[i];
    
    //f[1~n][0] = f[0][1~m] = 0;
    for(int i = 1; i <= n; ++ i) //遍历物品
        for(int j = 1; j <= m; ++ j){ //遍历容量
            f[i][j] = f[i - 1][j]; //不选第i个物品
            if(j >= v[i])
                f[i][j] = max(f[i][j], f[i - 1][j - v[i]] + w[i]); //选第i个物品
        }
        
    cout << f[n][m];
    return 0;
}
      • 优化：
        • 用滚动数组优化
        • 因为第i层总是由第i-1层来更新，不会用到1~i-2层，因此只用一维数组f[N]即可自我更新,f[j]表示不超过容量j的最大价值
        • 第i个物品不取，第i层与第i-1层的总价值不变，因此可以不用更新，\(f[i][j] = f[i - 1][j]\) 这句话可删去
        • 第i个物品取，因此要用i-1层更新第i层，\(f[i][j] = max(f[i][j], f[i - 1][j - v[i]] + w[i])\) 并且总是用小容量的价值更新大容量的价值，若从小往大更新，那么小容量的价值优先被更新到第i层，大容量的价值依据小容量的价值更新时，使用的价值不再是第i-1层，所以容量要从大往小更新
        • 代码：
          const int N = 1e3 + 10;
int f[N], v[N], w[N];
int n, m;

int main(){
    cin >> n >> m;
    for(int i = 1; i <= n; ++ i) cin >> v[i] >> w[i];
    
    //f[0] = 0;
    for(int i = 1; i <= n; ++ i) //遍历物品
        for(int j = m; j >= v[i]; -- j) //从小往大遍历容量
                f[j] = max(f[j], f[j - v[i]] + w[i]); //选第i个物品
        
    cout << f[m];
    return 0;
}

    • 完全背包

      • 每件物品可取无限次
      • 朴素代码：
        const int N = 1e3 + 10;
int f[N][N], w[N], v[N];
int n, m;

int main(){
    cin >> n >> m;
    
    for(int i = 1; i <= n; ++ i) cin >> v[i] >> w[i];
    
    for(int i = 1; i <= n; ++ i) //遍历物品
        for(int j = 1; j <= m; ++ j) //遍历容量
            for(int k = 0; k * v[i] <= j; ++ k) //遍历个数 
                f[i][j] = max(f[i][j], f[i - 1][j - k * v[i]] + k * w[i]);
                
    cout << f[n][m];
    return 0;
}
      • 时间优化：
        • \(f[i][j] = max(f[i - 1][j],f[i - 1][j - v] + w,f[i-1][j-2v]+2w,f[i-1][j-3v]+3w,...,f[i-1][j-kv]+kw)\)
        • \(f[i][j-v]=max(f[i-1][j-v],f[i-1][j-2v]+w,f[i-1][j-3v]+w,...,f[i-1][j-kv]+(k-1)w,f[i-1][j-(k+1)v]+kw)\)
        • 发现: \(f[i][j]=max(f[i-1][j],f[i][j-v]+w)\)
        • 代码：
          const int N = 1e3 + 10;
int f[N][N], w[N], v[N];
int n, m;

int main(){
    cin >> n >> m;
    
    for(int i = 1; i <= n; ++ i) cin >> v[i] >> w[i];
    
    for(int i = 1; i <= n; ++ i) //遍历物品
        for(int j = 1; j <= m; ++ j){ //遍历容量
            f[i][j] = f[i - 1][j]; //第i个物品不选
            if(j >= v[i])
                f[i][j] = max(f[i][j], f[i][j - v[i]] + w[i]);//第i个物品选
        }
                
    cout << f[n][m];
    return 0;
}
      • 时空优化：
        • 滚动数组优化
        • 代码：
          const int N = 1e3 + 10;
int f[N], w[N], v[N];
int n, m;

int main(){
    cin >> n >> m;
    
    for(int i = 1; i <= n; ++ i) cin >> v[i] >> w[i];
    
    for(int i = 1; i <= n; ++ i) //遍历物品
        for(int j = v[i]; j <= m; ++ j) //遍历容量
            f[j] = max(f[j], f[j - v[i]] + w[i]);
                
    cout << f[m];
    return 0;
}

    • 多重背包

      • 每件物品可取有限次
      • 朴素代码：
        const int N = 110;
int f[N][N], v[N], w[N], s[N];
int n, m;

int main(){
    cin >> n >> m;
    for(int i = 1; i <= n; ++ i) cin >> v[i] >> w[i] >> s[i];
    
    for(int i = 1; i <= n; ++ i)
        for(int j = 1; j <= m; ++ j)
            for(int k = 0; k <= s[i] && k * v[i] <= j; ++ k)
                f[i][j] = max(f[i][j], f[i - 1][j - k * v[i]] + k * w[i]);
                
    cout << f[n][m];
    return 0;
}
      • 空间优化：
        • 滚动数组优化
        • 代码：
          const int N = 110;
int f[N], v[N], w[N], s[N];
int n, m;

int main(){
    cin >> n >> m;
    for(int i = 1; i <= n; ++ i) cin >> v[i] >> w[i] >> s[i];
    
    for(int i = 1; i <= n; ++ i)
        for(int j = m; j >= v[i]; -- j)
            for(int k = 0; k <= s[i] && k * v[i] <= j; ++ k)
                f[j] = max(f[j], f[j - k * v[i]] + k * w[i]);
                
    cout << f[m];
    return 0;
}
      • 二进制优化：
        • 将每个物品取的次数分为若干组，各组为1，2，4，8....2^k，c 的二进制数，在组中任意选取若干组，每组看作新的物品只能选一次，所有的次数都能由这几组二进制数表示，由于每组只能选一次，故化为01背包问题
        • 代码：
          const int N = 2e4 + 500;
int v[N], w[N], s[N];
int f[N];
int n, m;

int main(){
    cin >> n >> m;
    
    int cnt = 0; //记录物品个数
    while(n -- ){
        int V, W, S;
        cin >> V >> W >> S;
        int k = 1; //记录分解后每个物品的次数
        while(k <= S){ //将数量S分解
            cnt ++ ; //每次分解个数加一
            w[cnt] = W * k;
            v[cnt] = V * k;
            S -= k;
            k *= 2;
        }
        if(S > 0){ //剩余次数
            cnt ++ ;
            w[cnt] = W * S;
            v[cnt] = V * S;
        }
    }
    
    n = cnt; //01背包问题
    for(int i = 1; i <= n; ++ i)
        for(int j = m; j >= v[i]; -- j)
            f[j] = max(f[j], f[j - v[i]] + w[i]);
            
    cout << f[m];
    return 0;
}

    • 分组背包

      • 每个组里面最多选一件物品
      • 朴素代码：
        const int N = 110;
int v[N][N], w[N][N];
int f[N][N];
int s[N];
int n, m;

int main(){
    cin >> n >> m;
    
    for(int i = 1; i <= n; ++ i){
        cin >> s[i];
        for(int j = 1; j <= s[i]; ++ j)
            cin >> v[i][j] >> w[i][j];
    }
    
    for(int i = 1; i <= n; ++ i)
        for(int j = 1; j <= m; ++ j){
            f[i][j] = f[i - 1][j]; //该组不选物品
            for(int k = 1; k <= s[i]; ++ k){ //该组选物品
                if(j >= v[i][k])
                    f[i][j] = max(f[i][j], f[i - 1][j - v[i][k]] + w[i][k]);
            }
        }
        
                
    cout << f[n][m];
    return 0;
}

//或者
for(int i = 1; i <= n; ++ i)
	for(int k = 1; k <= s[i]; ++ k)
		for(int j = 1; j <= m; ++ j){
			f[i][j] = max(f[i][j], f[i - 1][j]);
			if(j >= v[i][k])
				f[i][j] = max(f[i][j], f[i - 1][j - v[i][k]] + w[i][k]);
		}
      • 空间优化：
        const int N = 110;
int v[N][N], w[N][N];
int f[N];
int s[N];
int n, m;

int main(){
    cin >> n >> m;
    
    for(int i = 1; i <= n; ++ i){
        cin >> s[i];
        for(int j = 1; j <= s[i]; ++ j)
            cin >> v[i][j] >> w[i][j];
    }
    
    for(int i = 1; i <= n; ++ i)
        for(int j = m; j >= 1; -- j)
            for(int k = 1; k <= s[i]; ++ k)
                if(j >= v[i][k])
                    f[j] = max(f[j], f[j - v[i][k]] + w[i][k]);
            
                
    cout << f[m];
    return 0;
}

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