背包问题概述
背包问题是一类经典的动态规划问题,分为0-1背包 和完全背包两种主要类型。核心思想是通过状态转移方程逐步填充一个二维数组(或优化后的一维数组),记录不同容量下的最优解。
0-1背包问题
问题描述 :给定物品的重量 weights 和价值 values,以及背包容量 capacity,每个物品只能选或不选,求最大价值。
动态规划解法
状态定义 :
dp[i][j] 表示前 i 个物品在容量 j 下的最大价值。
状态转移方程:
dp[i][j] = max(dp[i-1][j], dp[i-1][j-weights[i-1]] + values[i-1])
(若 j >= weights[i-1],否则直接继承 dp[i-1][j])
Python代码:
python
def knapsack_01(weights, values, capacity):
n = len(weights)
dp = [[0] * (capacity + 1) for _ in range(n + 1)]
for i in range(1, n + 1):
for j in range(1, capacity + 1):
if j >= weights[i-1]:
dp[i][j] = max(dp[i-1][j], dp[i-1][j-weights[i-1]] + values[i-1])
else:
dp[i][j] = dp[i-1][j]
return dp[n][capacity]
空间优化(一维数组)
python
def knapsack_01_optimized(weights, values, capacity):
dp = [0] * (capacity + 1)
for i in range(len(weights)):
for j in range(capacity, weights[i] - 1, -1): # 逆向遍历
dp[j] = max(dp[j], dp[j - weights[i]] + values[i])
return dp[capacity]
完全背包问题
问题描述:与0-1背包类似,但每个物品可以选无限次。
状态转移方程:
dp[i][j] = max(dp[i-1][j], dp[i][j-weights[i-1]] + values[i-1])
(注意与0-1背包的区别:第二项是 dp[i][...])
Python代码(空间优化版):
python
def knapsack_unbounded(weights, values, capacity):
dp = [0] * (capacity + 1)
for i in range(len(weights)):
for j in range(weights[i], capacity + 1): # 正向遍历
dp[j] = max(dp[j], dp[j - weights[i]] + values[i])
return dp[capacity]
关键区别
-
遍历顺序:
- 0-1背包:内层循环逆向遍历(避免重复计算)。
- 完全背包:内层循环正向遍历(允许重复选择)。
-
状态转移:
- 0-1背包依赖上一行
dp[i-1][...]。 - 完全背包依赖当前行
dp[i][...]。
- 0-1背包依赖上一行
应用场景
- 0-1背包:物品唯一性(如选/不选)。
- 完全背包:物品无限供应(如硬币找零问题)。