蓝桥杯C++基础算法-0-1背包(优化为一维)

这段代码实现了0-1 背包问题 的动态规划解法,并且使用了滚动数组来优化空间复杂度。以下是代码的详细思路解析:


1. 问题背景

给定 n 个物品,每个物品有其体积 v[i] 和价值 w[i],以及一个容量为 m 的背包。目标是选择物品使得总价值最大,同时总容量不超过背包的容量。

2. 动态规划的概念

动态规划是一种常用的算法技巧,用于解决具有重叠子问题和最优子结构的问题。在 0-1 背包问题中,动态规划通过维护一个一维数组 f 来记录不同状态下的最大价值。

3. 代码逻辑解析

(1) 输入数据
cpp 复制代码
cin >> n >> m;
for (int i = 1; i <= n; i++) cin >> v[i] >> w[i];
  • 用户输入物品数量 n 和背包容量 m。

  • 对于每个物品,输入其体积 v[i] 和价值 w[i]。

(2) 动态规划状态转移
cpp 复制代码
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]);
  1. 外层循环:

    • 遍历每个物品,从第 1 个到第 n 个。
  2. 内层循环:

    • 遍历背包的每个容量,从 m 到 v[i](逆序遍历)。

    • 逆序遍历的原因是避免重复使用同一个物品。如果正序遍历,同一个物品可能会被多次使用,从而变成完全背包问题。

  3. 状态转移:

    • f[j] 表示在容量为 j 的背包下的最大价值。

    • 不选择第 i 个物品 :f[j] 保持不变。

    • 选择第 i 个物品 :如果当前容量 j 大于等于第 i 个物品的体积 v[i],则可以考虑选择第 i 个物品,更新 f[j] 为 f[j - v[i]] + w[i],即在容量为 j - v[i] 的背包下的最大价值加上第 i 个物品的价值。

(3) 输出结果
cpp 复制代码
cout << f[m] << endl;
  • 输出最终的最大价值,即 f[m]。

4. 代码效率分析

  • 时间复杂度:

    • 两层循环遍历所有物品和所有容量,时间复杂度为 O(n × m)。
  • 空间复杂度:

    • 使用了一个一维数组 f,空间复杂度为 O(m)。

5. 示例运行

输入:
cpp 复制代码
3 5
1 2
2 3
3 4
运行过程:
  1. 输入数据:

    • n = 3, m = 5

    • v = [1, 2, 3], w = [2, 3, 4]

  2. 动态规划状态转移:

    • 初始化 f 数组为 0。

    • 对于第 1 个物品:

      • f[5] = max(f[5], f[4] + 2) = 2

      • f[4] = max(f[4], f[3] + 2) = 2

      • f[3] = max(f[3], f[2] + 2) = 2

      • f[2] = max(f[2], f[1] + 2) = 2

      • f[1] = max(f[1], f[0] + 2) = 2

    • 对于第 2 个物品:

      • f[5] = max(f[5], f[3] + 3) = 5

      • f[4] = max(f[4], f[2] + 3) = 5

      • f[3] = max(f[3], f[1] + 3) = 5

      • f[2] = max(f[2], f[0] + 3) = 3

    • 对于第 3 个物品:

      • f[5] = max(f[5], f[2] + 4) = 7

      • f[4] = max(f[4], f[1] + 4) = 6

      • f[3] = max(f[3], f[0] + 4) = 4

输出:
cpp 复制代码
7

6. 总结

这段代码的核心思路是通过动态规划 解决 0-1 背包问题,并使用滚动数组 优化空间复杂度。通过维护一个一维数组 f,记录不同状态下的最大价值,并通过状态转移方程更新最大价值,最终找到在给定背包容量下的最大价值。这种方法的时间复杂度为 O(n × m) ,空间复杂度为 O(m),适用于中等规模的 0-1 背包问题。

完整代码

cpp 复制代码
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;

// 定义数组的最大长度
const int N = 1010;
// n 代表物品的数量,m 代表背包的容量
int n, m;
// v 数组用来存储每个物品的体积,w 数组用来存储每个物品的价值
int v[N], w[N];
// f 数组是一维数组,f[j] 表示背包容量为 j 时能获得的最大价值
int f[N];

int main()
{
    // 输入物品的数量 n 和背包的容量 m
    cin >> n >> m;
    // 循环读入每个物品的体积和价值
    for(int i = 1; i <= n; i ++) cin >> v[i] >> w[i];

    // 动态规划过程,外层循环遍历每个物品
    for(int i = 1; i <= n; i ++)
        // 内层循环从背包的最大容量 m 开始,递减到当前物品的体积 v[i]
        for(int j = m; j >= v[i]; j --)
            // 比较不选择第 i 个物品和选择第 i 个物品两种情况下的最大价值
            // 不选择第 i 个物品时,f[j] 保持不变
            // 选择第 i 个物品时,价值为 f[j - v[i]] + w[i]
            f[j] = max(f[j], f[j - v[i]] + w[i]);
    // 输出背包容量为 m 时能获得的最大价值
    cout << f[m] << endl;
    return 0;
}
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