后台天天有人问背包问题,这个问题其实不难,借助动态规划的思维框架,无非还是状态 + 选择,没啥特别之处。今天就来说一下背包问题吧,就讨论最常见的 0-1 背包问题。描述:
给你一个可装载重量为 的背包和 个物品,每个物品有重量和价值两个属性。其中第 个物品的重量为 ,价值为 。现在让你用这个背包装物品,每个物品只能用一次,在不超过被包容量的前提下,最多能装的价值是多少?
举个简单的例子,输入如下:
算法返回 6,选择前两件物品装进背包,总重量 3 小于 ,可以获得最大价值 6。
题目就是这么简单,一个典型的动态规划问题。这个题目中的物品不可以分割,要么装进包里,要么不装,不能说切成两块装一半。这就是 0-1 背包这个名词的来历。
解决这个问题没有什么排序之类巧妙的方法,只能穷举所有可能,根据我们 中的套路,直接走流程就行了。
看来每篇动态规划文章都得重复一遍套路,历史文章中的动态规划问题都是按照下面的套路来的。
第一步要明确两点,「状态」和「选择」。
先说状态,如何才能描述一个问题局面?只要给几个物品和一个背包的容量限制,就形成了一个背包问题呀。所以状态有两个,就是「背包的容量」和「可选择的物品」。
再说选择,也很容易想到啊,对于每件物品,你能选择什么?选择就是「装进背包」或者「不装进背包」嘛。
明白了状态和选择,动态规划问题基本上就解决了,对于自底向上的思考方式,代码的一般框架是这样:
第二步要明确 数组的定义。
首先看看刚才找到的「状态」,有两个,也就是说我们需要一个二维 数组。
的定义如下:对于前 个物品,当前背包的容量为 ,这种情况下可以装的最大价值是 。
比如说,如果 ,其含义为:对于给定的一系列物品中,若只对前 3 个物品进行选择,当背包容量为 5 时,最多可以装下的价值为 6。
根据这个定义,我们想求的最终答案就是 。base case 就是 ,因为没有物品或者背包没有空间的时候,能装的最大价值就是 0。
细化上面的框架:
第三步,根据「选择」,思考状态转移的逻辑。
简单说就是,上面伪码中「把物品 装进背包」和「不把物品 装进背包」怎么用代码体现出来呢?
这就要结合对 数组的定义,看看这两种选择会对状态产生什么影响:
先重申一下刚才我们的 数组的定义:
表示:对于前 个物品(从 1 开始计数),当前背包的容量为 时,这种情况下可以装下的最大价值是 。
如果你没有把这第 个物品装入背包,那么很显然,最大价值 应该等于 ,继承之前的结果。
如果你把这第 个物品装入了背包,那么 应该等于 。
首先,由于数组索引从 0 开始,而我们定义中的 是从 1 开始计数的,所以 和 表示第 个物品的价值和重量。
你如果选择将第 个物品装进背包,那么第 个物品的价值 肯定就到手了,接下来你就要在剩余容量 的限制下,在前 个物品中挑选,求最大价值,即 。
综上就是两种选择,我们都已经分析完毕,也就是写出来了状态转移方程,可以进一步细化代码:
最后一步,把伪码翻译成代码,处理一些边界情况。
我用 Java 写的代码,把上面的思路完全翻译了一遍,并且处理了 可能小于 0 导致数组索引越界的问题:
至此,背包问题就解决了,相比而言,我觉得这是比较简单的动态规划问题,因为状态转移的推导比较自然,基本上你明确了 数组的定义,就可以理所当然地确定状态转移了。
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