动态规划-01背包

兜兜转转了半天,发现还是Carl写的好。

看过动态规划-基础的读者,大概都清楚。

动态规划是将大问题,分解成子问题。并将子问题的解储存下来,避免重复计算。

而背包问题,就是动态规划延申出来的一个大类。

而01背包,就隶属于背包问题。

那什么又是01背包呢?

01背包

有n件物品 ,与一次最多能背w重量的背包。第i件物品,重量为weight[i],得到的价值为value[i]。

每件物品只能用一次,求解,将那些物品装入背包内,物品的价值总和最大。

重量(weight) 价值(value)
物品0 1 15
物品1 3 20
物品2 4 30

这是一个标准的背包问题,很多一看到这个,就直接想起用动态规划,而忽略了暴力解法。

这是因为没有 自下而上 思考的结果。

如下代码,一般动态规划问题,都是能通过回溯解决,因为每个物品都有两种可能(状态),

被放入背包,或者不放入背包。

cpp 复制代码
// 全局变量用于记录最大价值
int maxValue = 0;

// 物品的重量和价值数组
vector<int> weights = {1, 3, 4, 5, 6};
vector<int> values = {1, 3, 4, 5, 6};

// 背包容量
int capacity = 10;

// 回溯函数
void backtrack(int index, int currentWeight, int currentValue) {
    // 如果已经遍历完所有物品
    if (index == weights.size()) {
        // 更新最大价值
        if (currentValue > maxValue) {
            maxValue = currentValue;
        }
        return;
    }

    // 不选择当前物品 - 01背包中的0
    backtrack(index + 1, currentWeight, currentValue);

    // 选择当前物品   - 01背包中的1
    if (currentWeight + weights[index] <= capacity) {
        backtrack(index + 1, currentWeight + weights[index], currentValue + values[index]);
    }
}

如上的回溯算法,每个问题都有两个解法,通过暴力解决,但通常这种解法,是O(2^n)的时间复杂度,随着数量的增加。

呈指数级上升。

而动态规划仅仅需要O(N*M)就可以解决。

第一步:下标含义
复制代码
dp[i][j]表示将前i件物品装进限重为j的背包可以获得的最大价值, 0<=i<=N, 0<=j<=W
第二步:推导公式

那么我们可以将dp[0][0...W]初始化为0,表示将前0个物品(即没有物品),装入书包的最大价值为0。那么当i>0时,dp[i][j]有两种情况:

  1. 不装入第i件物品,即dp[i−1][j]
  2. 装入第i件物品(前提是能装下),即dp[i-1][j-weight[i]]+value[i]。
第三步:书写代码
cpp 复制代码
dp[weight.size()][bagweight + 1];

// weight数组的大小 就是物品个数
for(int i = 1; i < weight.size(); 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 - 1][j - weight[i]] + value[i]);

    }
}
压缩

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

看到 dp[i][j] 与 dp[i-1][...] 的

大家都可以发现,dp都由上一行推导出来的(也就是把dp[i - 1]那一层拷贝到dp[i]上),所以可以压缩代码。

把二维数组,压缩为一维滚动数组

这也就是滚动数组的由来,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。

需要注意的是,为了防止上一层循环的dp[0,...,j-1]被覆盖,循环的时候 j 只能逆向枚举

如下:

cpp 复制代码
for(int i = 0; i < weight.size(); ++i){
    for(int j = bagWeight; j>=weight[i]; j--){
        dp[j] = max( dp[j], dp[j-weight[i]]+value[i] );
    }
}

大纲

1、分割等和子集

2、最后一块石头的重量 II

3、目标和

4、一和零

题目

1、分割等和子集

给你一个 只包含正整数非空 数组 nums 。请你判断是否可以将这个数组分割成两个子集,使得两个子集的元素和相等。

示例 1:

复制代码
输入:nums = [1,5,11,5]
输出:true
解释:数组可以分割成 [1, 5, 5] 和 [11] 。

示例 2:

复制代码
输入:nums = [1,2,3,5]
输出:false
解释:数组不能分割成两个元素和相等的子集。

提示:

  • 1 <= nums.length <= 200
  • 1 <= nums[i] <= 100
cpp 复制代码
class Solution {
    // 最大也就意味着最接近
    // 能通过动态规划解决的,都能通过回溯解决
    // 每个数字都有两种状态,被选中,或者不被选中
    // 只有单纯的数字,那么数字的大小是重量,也是价值。
public:
    bool canPartition(vector<int>& nums) {
        int cur = 0;
        for(int i:nums) cur+=i;
        int sum = cur/2;
        if(sum*2 != cur) return false; // 意外情况,直接排除
        vector<int> dp(sum+1,0);
        for(int i=0; i<nums.size(); i++){
            for(int j=sum; j>=nums[i]; --j){
                dp[j] = max(dp[j], dp[j-nums[i]]+nums[i]);
            }
        }
        return sum==dp[sum]?true:false;
    }
};

2、最后一块石头的重量 II

有一堆石头,用整数数组 stones 表示。其中 stones[i] 表示第 i 块石头的重量。

每一回合,从中选出任意两块石头 ,然后将它们一起粉碎。假设石头的重量分别为 xy,且 x <= y。那么粉碎的可能结果如下:

  • 如果 x == y,那么两块石头都会被完全粉碎;
  • 如果 x != y,那么重量为 x 的石头将会完全粉碎,而重量为 y 的石头新重量为 y-x

最后,最多只会剩下一块 石头。返回此石头 最小的可能重量 。如果没有石头剩下,就返回 0

示例 1:

复制代码
输入:stones = [2,7,4,1,8,1]
输出:1
解释:
组合 2 和 4,得到 2,所以数组转化为 [2,7,1,8,1],
组合 7 和 8,得到 1,所以数组转化为 [2,1,1,1],
组合 2 和 1,得到 1,所以数组转化为 [1,1,1],
组合 1 和 1,得到 0,所以数组转化为 [1],这就是最优值。

示例 2:

复制代码
输入:stones = [31,26,33,21,40]
输出:5

提示:

  • 1 <= stones.length <= 30
  • 1 <= stones[i] <= 100

为啥要分两堆->一直在动态的动态的维护,从第一块进入开始,一直在动态的维护两堆的平衡。

cpp 复制代码
class Solution {
    // 对呐,只要让两拨石头血拼就行!
    // 但是,为啥要让两拨石头血拼? 
    // 图片上附上解析,希望以后能看懂
public:
    int lastStoneWeightII(vector<int>& stones) { 
        int sum = 0;
        for(int i : stones) sum+=i;
        int cur = sum;
        sum>>=1; // 右移2位,相当于除以2;
        vector<int> dp(sum+1, 0);
        for(int i=0; i<stones.size(); ++i){
            for(int j = sum; j>=stones[i]; --j){
                dp[j] = max(dp[j],dp[j-stones[i]]+stones[i]);
            }
        }
        return cur-2*dp[sum];
    }
};

3、目标和

给你一个非负整数数组 nums 和一个整数 target

向数组中的每个整数前添加 '+''-' ,然后串联起所有整数,可以构造一个 表达式

  • 例如,nums = [2, 1] ,可以在 2 之前添加 '+' ,在 1 之前添加 '-' ,然后串联起来得到表达式 "+2-1"

返回可以通过上述方法构造的、运算结果等于 target 的不同 表达式 的数目。

示例 1:

复制代码
输入:nums = [1,1,1,1,1], target = 3
输出:5
解释:一共有 5 种方法让最终目标和为 3 。
-1 + 1 + 1 + 1 + 1 = 3
+1 - 1 + 1 + 1 + 1 = 3
+1 + 1 - 1 + 1 + 1 = 3
+1 + 1 + 1 - 1 + 1 = 3
+1 + 1 + 1 + 1 - 1 = 3

示例 2:

复制代码
输入:nums = [1], target = 1
输出:1

提示:

  • 1 <= nums.length <= 20
  • 0 <= nums[i] <= 1000
  • 0 <= sum(nums[i]) <= 1000
  • -1000 <= target <= 1000
cpp 复制代码
class Solution {
    // 如果用暴力解法,本题也是能做的
    // 但是如果我不暴力呢?
    // 了解过答案之后,就发现这道题目,纯纯是一道推理题。
    // 用方法就行推理,真tm是一道推理题
    // (cur+)+(cur-) = target;
    // (cur+)-(cur-) = target;
    //  cur = (sum-target)/2; 由此公式推导
    // 只要找到cur就OK了
    // 当sum为0时,代表总和与target相同,都只有一种情况
public:
    int findTargetSumWays(vector<int>& nums, int target) {
        int cur = 0;
        for(int i:nums) cur+=i;
        int sum = (cur-target)>>1;
        if(sum*2!=cur-target||sum<0) return 0; // 直接就没有可能了
        vector<int> dp(sum+1);
        dp[0]=1;
        // 公式推导出来的正整数
        for(int i=0; i<nums.size(); ++i){
            for(int j=sum; j>=nums[i]; --j){
                dp[j]=dp[j-nums[i]]+dp[j];
            }
        }
        return dp[sum];
    }
}; 

// ???我的脑袋里,有个大大的问题?这能过??

4、一和零

给你一个二进制字符串数组 strs 和两个整数 mn

请你找出并返回 strs 的最大子集的长度,该子集中 最多m0n1

如果 x 的所有元素也是 y 的元素,集合 x 是集合 y子集

示例 1:

复制代码
输入:strs = ["10", "0001", "111001", "1", "0"], m = 5, n = 3
输出:4
解释:最多有 5 个 0 和 3 个 1 的最大子集是 {"10","0001","1","0"} ,因此答案是 4 。
其他满足题意但较小的子集包括 {"0001","1"} 和 {"10","1","0"} 。{"111001"} 不满足题意,因为它含 4 个 1 ,大于 n 的值 3 。

示例 2:

复制代码
输入:strs = ["10", "0", "1"], m = 1, n = 1
输出:2
解释:最大的子集是 {"0", "1"} ,所以答案是 2 。

提示:

  • 1 <= strs.length <= 600
  • 1 <= strs[i].length <= 100
  • strs[i] 仅由 '0''1' 组成
  • 1 <= m, n <= 100
cpp 复制代码
class Solution {
    // 直接就干到n的三次方了!我的天呐,太牛了

public:
    int findMaxForm(vector<string>& strs, int m, int n) {
        vector<vector<int>> dp(m+1,vector<int>(n+1,0)); 
        for(string str : strs){
            int num0=0,num1=0;
            for(char c : str){
                if(c=='0') num0++;
                else num1++;
            }
            for(int i=m; i>=num0; --i){
                for(int j=n; j>=num1; --j){
                    dp[i][j] = max(dp[i][j],dp[i-num0][j-num1]+1);
                }
            }
        }
        return dp[m][n];
    }
};

完结( ̄︶ ̄)↗ ,自己是收益匪浅啦


博客借鉴:

1、动态规划之背包问题系列

2、动态规划:01背包理论基础


相关推荐
大刀爱敲代码1 小时前
基础算法01——二分查找(Binary Search)
java·算法
HR Zhou5 小时前
群体智能优化算法-正弦余弦算法(Sine Cosine Algorithm, SCA,含Matlab源代码)
算法·机器学习·matlab·优化·群体智能优化
自信的小螺丝钉5 小时前
Leetcode 378. 有序矩阵中第 K 小的元素 二分查找
算法·leetcode·矩阵·二分查找
m0_735234606 小时前
蓝桥杯算法实战分享:算法进阶之路与实战技巧
算法·职场和发展·蓝桥杯
程序员老周6666 小时前
矩阵补充,最近邻查找
算法·机器学习·推荐算法
_GR6 小时前
2021年蓝桥杯第十二届C&C++大学B组真题及代码
c语言·数据结构·c++·算法·蓝桥杯
奋进的小暄6 小时前
贪心算法(11)(java)加油站
算法·贪心算法
tpoog7 小时前
[贪心算法]最长回文串 && 增减字符串匹配 && 分发饼干
算法·贪心算法
Flower#8 小时前
C . Serval and The Formula【Codeforces Round 1011 (Div. 2)】
c语言·开发语言·c++·算法
大刀爱敲代码8 小时前
基础算法02——冒泡排序(Bubble Sort)
java·算法·排序算法