蓝桥杯 Java B 组之背包问题(01背包、完全背包)

Day 1:背包问题(01背包、完全背包)


📖 一、背包问题简介

背包问题是动态规划(DP)中一个经典的优化问题 ,涉及物品选择容量约束。通常分为以下几类:

  • 01 背包 (0/1 Knapsack):每个物品只能选择 一次
  • 完全背包 (Unbounded Knapsack):每个物品可以被选择无限次
  • 多重背包 :每个物品有固定的数量,不能超过限制。
  • 分组背包:物品被分成多个组,每组只能选一个。

本次重点讨论01 背包完全背包 ,并通过 "分割等和子集""零钱兑换 II" 来加深理解。


📖 二、01 背包问题

问题描述 : 给定 N 个物品和一个容量为 W 的背包,每个物品有一个 重量 w[i]价值 v[i]。求在不超过 W 的情况下,最大价值是多少?

🔹 01 背包的状态转移方程

定义 dp[i][j] 表示i 个物品在容量 j 下的最大价值

  1. 不选第 i 个物品dp[i][j] = dp[i-1][j]
  2. 选第 i 个物品 (前提:j >= w[i]):dp[i][j] = dp[i-1][j - w[i]] + v[i]
  3. 最终答案dp[N][W]

🔹 代码实现(01 背包)

复制代码
public class Knapsack01 {
    public int knapsack(int W, int[] weights, int[] values, int n) {
        int[][] dp = new int[n + 1][W + 1];

        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            for (int j = 1; j <= W; j++) {
                dp[i][j] = dp[i - 1][j]; // 不选第 i 个物品
                if (j >= weights[i - 1]) {
                    dp[i][j] = Math.max(dp[i][j], dp[i - 1][j - weights[i - 1]] + values[i - 1]);
                }
            }
        }
        return dp[n][W];
    }

    public static void main(String[] args) {
        Knapsack01 knapsack = new Knapsack01();
        int[] weights = {2, 3, 4, 5};
        int[] values = {3, 4, 5, 6};
        int W = 5;
        int n = weights.length;
        System.out.println("最大价值: " + knapsack.knapsack(W, weights, values, n)); // 输出 7
    }
}

🔹 时间复杂度

O(n * W) ,其中 n 是物品数量,W 是背包容量。


📖 三、完全背包问题

问题描述 : 与 01 背包 不同,完全背包 允许每个物品选取无限次

🔹 完全背包的状态转移方程

  1. 不选第 i 个物品dp[i][j] = dp[i-1][j]
  2. k 次第 i 个物品 (前提:j >= k * w[i]): dpij=max⁡(dpij,dpij−k×w\[i]+k×vi)dpij = \max(dpij, dpij - k \\times w\[i] + k \times vi)

优化版

dpij=max⁡(dpi−1j,dpij−w\[i]+vi)dpij = \max(dpi-1j, dpij-w\[i] + vi)

注意:完全背包的状态转移是从 dp[i][j-w[i]] 来的,而不是 dp[i-1][j-w[i]],表示可以重复选取当前物品

🔹 代码实现(完全背包)

复制代码
public class KnapsackComplete {
    public int knapsack(int W, int[] weights, int[] values, int n) {
        int[] dp = new int[W + 1];

        for (int i = 0; i < n; i++) {
            for (int j = weights[i]; j <= W; j++) { // 正序遍历
                dp[j] = Math.max(dp[j], dp[j - weights[i]] + values[i]);
            }
        }
        return dp[W];
    }

    public static void main(String[] args) {
        KnapsackComplete knapsack = new KnapsackComplete();
        int[] weights = {2, 3, 4, 5};
        int[] values = {3, 4, 5, 6};
        int W = 5;
        int n = weights.length;
        System.out.println("最大价值: " + knapsack.knapsack(W, weights, values, n)); // 输出 8
    }
}

🔹 时间复杂度

O(n * W) ,但使用了一维 dp 数组,空间复杂度从 O(n*W) 降到了 O(W)


📖 四、练习 1:分割等和子集(Subset Sum)

题目描述 : 给定一个非负整数数组 nums,判断是否可以将其分割为两个子集,使得两个子集的和相等。

🔹 思路

  • 转化为 01 背包问题
    • 目标是找到一个子集 ,使得其和为 sum/2
    • 如果 sum 为奇数,则直接返回 false
    • 状态定义dp[j] 表示能否填满容量 j 的背包
    • 状态转移方程dp[j] = dp[j] || dp[j - nums[i]]

🔹 代码实现

复制代码
import java.util.*;

public class PartitionEqualSubsetSum {
    public boolean canPartition(int[] nums) {
        int sum = Arrays.stream(nums).sum();
        if (sum % 2 != 0) return false; // 奇数直接返回 false

        int target = sum / 2;
        boolean[] dp = new boolean[target + 1];
        dp[0] = true;

        for (int num : nums) {
            for (int j = target; j >= num; j--) { // 01 背包,倒序遍历
                dp[j] = dp[j] || dp[j - num];
            }
        }
        return dp[target];
    }

    public static void main(String[] args) {
        PartitionEqualSubsetSum solution = new PartitionEqualSubsetSum();
        int[] nums = {1, 5, 11, 5};
        System.out.println(solution.canPartition(nums)); // 输出 true
    }
}

时间复杂度:O(n * sum/2)sum 是数组和。


📖 五、练习 2:零钱兑换 II(Coin Change II)

题目描述 : 给定不同面额的硬币 coins 和一个总金额 amount,求总共有多少种方式 可以凑成 amount

🔹 代码实现

复制代码
public class CoinChange2 {
    public int change(int amount, int[] coins) {
        int[] dp = new int[amount + 1];
        dp[0] = 1; // 组合数初始化

        for (int coin : coins) {
            for (int j = coin; j <= amount; j++) { // 完全背包,正序遍历
                dp[j] += dp[j - coin];
            }
        }
        return dp[amount];
    }

    public static void main(String[] args) {
        CoinChange2 solution = new CoinChange2();
        int[] coins = {1, 2, 5};
        int amount = 5;
        System.out.println(solution.change(amount, coins)); // 输出 4
    }
}

时间复杂度:O(n * amount)


📖 六、总结

01 背包 vs 完全背包

背包类型 状态转移
01 背包 dp[i][j] = max(dp[i-1][j], dp[i-1][j-w[i]] + v[i])
完全背包 dp[i][j] = max(dp[i-1][j], dp[i][j-w[i]] + v[i])

🎯 练习建议

  • 先熟练掌握 01 背包 ,再理解 完全背包 的正序遍历优化。
  • 多练习 变种题型 ,如 分割等和子集、零钱兑换 II
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