• 动态规划典型例题--背包问题九讲


    1.01背包问题

    题目:有N件物品和一个容量为V的背包。第i件物品的费用是c[i],价值是w[i]。求解将哪些物品装入背包可使价值总和最大。

    解法:

    这是最基础的背包问题,特点是:每种物品仅有一件,可以选择放或不放。
    用子问题定义状态:即f[i][v]表示前i件物品恰放入一个容量为v的背包可以获得的最大价值。则其状态转移方程便是:

    f[i][v]=max{f[i-1][v],f[i-1][v-c[i]]+w[i]}

    这个方程非常重要,基本上所有跟背包相关的问题的方程都是由它衍生出来的。所以有 必要将它详细解释一下:“将前i件物品放入容量为v的背包中”这个子问题,若只考虑第i 件物品的策略(放或不放),那么就可以转化为一个只牵扯前i-1件物品的问题。如果不放第i件物品,那么问题就转化为“前i-1件物品放入容量为v的背包中”,价值为f[i-1] [v];如果放第i件物品,那么问题就转化为“前i-1件物品放入剩下的容量为v-c[i]的背包中”,此时能获得的最大价值就是f[i-1][v-c[i]]再加上通过放入第i件物品获得的价值w[i]。

    优化空间复杂度

    以上方法的时间和空间复杂度均为O(VN),其中时间复杂度应该已经不能再优化了,但空间复杂度却可以优化到O。
    先考虑上面讲的基本思路如何实现,肯定是有一个主循环i=1..N,每次算出来二维数组f [i][0..V]的所有值。那么,如果只用一个数组f[0..V],能不能保证第i次循环结束后f[v] 中表示的就是我们定义的状态f[i][v]呢?

    f[i][v]是由f[i-1][v]和f[i-1][v-c[i]]两个子问题递推而来,能否保证在推f[i][v]时(也即在第i次主循环中推f[v]时)能够得到f[i-1][v]和f [i-1][v-c[i]]的值呢?事实上,这要求在每次主循环中我们以v=V..0的顺序推f[v],这样才能保证推f[v]时f[v-c[i]]保存的是状态f[i-1][v-c[i]]的值。

    伪代码如下:

    for i=1..N
        for v=V..0
            f[v]=max{f[v],f[v-c[i]]+w[i]};

    其中的f[v]=max{f[v],f[v-c[i]]}一句恰就相当于我们的转移方程f[i][v]=max{f[i1][v],f[i-1][v-c[i]]},因为现在的f[v-c[i]]就相当于原来的f[i-1][v-c[i]]。如果将v的循环顺序从上面的逆序改成顺序的话,那么则成了f[i][v]由f[i][v-c[i]]推知,与本题意不符,但它却是另一个重要的背包问题P02最简捷的解决方案,故学习只用一维数 组解01背包问题是十分必要的。
    事实上,使用一维数组解01背包的程序在后面会被多次用到,所以这里抽象出一个处理 一件01背包中的物品过程,以后的代码中直接调用不加说明。

    过程ZeroOnePack,表示处理一件01背包中的物品,两个参数cost、weight分别表明这 件物品的费用和价值。

    procedure ZeroOnePack(cost,weight)
        for v=V..cost
            f[v]=max{f[v],f[v-cost]+weight}

    注意这个过程里的处理与前面给出的伪代码有所不同。前面的示例程序写成v=V..0是为 了在程序中体现每个状态都按照方程求解了,避免不必要的思维复杂度。而这里既然已经抽象成看作黑箱的过程了,就可以加入优化。费用为cost的物品不会影响状态f[0.. cost-1],这是显然的。

    有了这个过程以后,01背包问题的伪代码就可以这样写:

    for i=1..N
        ZeroOnePack(c[i],w[i]);

    初始化的细节问题 我们看到的求最优解的背包问题题目中,事实上有两种不太相同的问法。有的题目要 求“恰好装满背包”时的最优解,有的题目则并没有要求必须把背包装满。一种区别这两 种问法的实现方法是在初始化的时候有所不同。
    如果是第一种问法,要求恰好装满背包,那么在初始化时除了f[0]为0其它f[1..V]均设 为-∞,这样就可以保证最终得到的f[N]是一种恰好装满背包的最优解。
    如果并没有要求必须把背包装满,而是只希望价格尽量大,初始化时应该将f[0..V]全部 设为0。
    为什么呢?可以这样理解:初始化的f数组事实上就是在没有任何物品可以放入背包时 的合法状态。如果要求背包恰好装满,那么此时只有容量为0的背包可能被价值为0的nothing“恰好装满”,其它容量的背包均没有合法的解,属于未定义的状态,它们的值就 都应该是-∞了。如果背包并非必须被装满,那么任何容量的背包都有一个合法解“什么 都不装”,这个解的价值为0,所以初始时状态的值也就全部为0了。
    这个小技巧完全可以推广到其它类型的背包问题,后面也就不再对进行状态转移之前的 初始化进行讲解。
    一个常数优化 前面的伪代码中有 for v=V..1,可以将这个循环的下限进行改进。
    由于只需要最后f[v]的值,倒推前一个物品,其实只要知道f[v-w[n]]即可。以此类推, 对以第j个背包,其实只需要知道到f[v-sum{w[j..n]}]即可,即代码中的

     for i=1..N
        for v=V..0

    可以改成 

    for i=1..n
        bound=max{V-sum{w[i..n]},c[i]}
        for v=V..bound


    这对于V比较大时是有用的。
    小结 01背包问题是最基本的背包问题,它包含了背包问题中设计状态、方程的最基本思想, 另外,别的类型的背包问题往往也可以转换成01背包问题求解。故一定要仔细体会上面 基本思路的得出方法,状态转移方程的意义,以及最后怎样优化的空间复杂度。

    2.完全背包问题

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