背包问题

作者: jdzhangxin | 来源:发表于2018-11-08 20:08 被阅读15次

背包问题

有N种物品和一个容量为W的背包。第i种物品的重量是w[i]，价值是v[i]。求解将哪些物品装入背包可使这些物品的重量总和不超过背包容量，且价值总和最大。

三种背包

No.	分类	条件
1	0/1背包问题	每种物品只有一个
2	完全背包问题	每种物品有无穷个
3	多重背包	每种物品有有限个`n[i]`

No.	分类	特点
1	状态	物品i,重量
2	结果	最大价值
3	状态转义	选择物品i,重量和价值增加
4	边界条件	没有可选的物品/所选物品超重

边界条件

No.	分类	说明	处理
1	遍历边界	数组边界	返回0
2	约束边界	超出约束	返回无效值(最值)

模板

01背包问题

for(int i = 1;i <= n;++i){
    for(int j = W;j >= w[i];--j){
        dp[j] = max(dp[j],dp[j-w[i]]+v[i]);
    }
}

完全背包问题

for(int i = 0;i <= n;++i){
    for(int j = w[i];j <= W;++j){
        dp[j] = min(dp[j],dp[j-w[i]]+v[i]);
    }
}

多重背包问题

朴素解法

for(int i = 0;i <= n;++i){
     for(int k = 0;k < b[i];++k){
         for(int j = W;j >= w[i];--j){
             dp[j] = max(dp[j],dp[j-w[i]]+v[i]);
         }
     }
}

举例

01背包问题

有4种物品和一个容量为4的背包。第i种物品的重量是4 3 1 1，价值是30 20 15 20。求解将哪些物品装入背包可使这些物品的重量总和不超过背包容量，且价值总和最大。

输入

4 4
30 20 15 20
4 3 1 1

参考代码

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

int knapsack_01(int n,int W,int* v,int* w){
    int dp[W+1];
    fill_n(dp,W+1,0);
    for(int i=0;i<=n;++i){
        for(int j=W;j>=w[i];--j){
            dp[j] = max(dp[j],dp[j-w[i]]+v[i]);
        }
    }
    return dp[W];
}
int main() {
    int N,W;
    scanf("%d%d",&N,&W);
    int v[N];
    for(int i=0;i<N;++i){
        scanf("%d",&v[i]);
    }
    int w[N];
    for(int i=0;i<N;++i){
        scanf("%d",&w[i]);
    }
    printf("%d\n",knapsack_01(N-1,W,v,w));
}

完全背包问题

有4种物品和一个容量为4的背包。第i种物品的重量是4 3 1 1，价值是30 20 15 20。求解将哪些物品装入背包可使这些物品的重量总和不超过背包容量，且价值总和最大。

输入

4 4
30 20 15 20
4 3 1 1

参考代码

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

int knapsack_complete(int n,int W,int* v,int* w){
    int dp[W+1];
    fill_n(dp,W+1,0);
    for(int i=0;i<=n;++i){
        for(int j=w[i];j<=W;++j){
            dp[j] = max(dp[j],dp[j-w[i]]+v[i]);
        }
    }
    return dp[W];
}
int main() {
    int N,W;
    scanf("%d%d",&N,&W);
    int v[N];
    for(int i=0;i<N;++i){
        scanf("%d",&v[i]);
    }
    int w[N];
    for(int i=0;i<N;++i){
        scanf("%d",&w[i]);
    }
    printf("%d\n",knapsack_complete(N-1,W,v,w));
}

多重背包问题

有4种物品和一个容量为4的背包。第i种物品的重量是4 3 1 1，价值是30 20 15 20。求解将哪些物品装入背包可使这些物品的重量总和不超过背包容量，且价值总和最大。

输入

4 4
30 20 15 20
4 3 1 1
1 2 2 2

参考代码

朴素解法

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

int knapsack_limitnum(int n,int W,int* v,int* w,int* b){
    int dp[W+1];
    fill_n(dp,W+1,0);
    for(int i=0;i<=n;++i){
        for(int k=0;k<b[i];++k){
            for(int j=W;j>=w[i];--j){
                dp[j] = max(dp[j],dp[j-w[i]]+v[i]);
            }
        }
    }
    return dp[W];
}
int main() {
    int N,W;
    scanf("%d%d",&N,&W);
    int v[N];
    for(int i=0;i<N;++i){
        scanf("%d",&v[i]);
    }
    int w[N];
    for(int i=0;i<N;++i){
        scanf("%d",&w[i]);
    }
    int b[N];
    for(int i=0;i<N;++i){
        scanf("%d",&b[i]);
    }
    printf("%d\n",knapsack_limitnum(N-1,W,v,w,b));
}

二进制优化

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

int knapsack_01(int n,int W,int* v,int* w){
    int dp[W+1];
    fill_n(dp,W+1,0);
    for(int i=0;i<=n;++i){
        for(int j=W;j>=w[i];--j){
            dp[j] = max(dp[j],dp[j-w[i]]+v[i]);
        }
    }
    return dp[W];
}

int knapsack_limitnum(int n,int W,int* v,int* w,int* b){
    vector<int> vv;
    vector<int> wv;
    for(int i=0;i<=n;++i){
        int count = b[i];
        for(int j=1;j<=count;j<<1){
           vv.push_back(v[i]*j);
           wv.push_back(w[i]*j);
           count-=j;
        }
        if(count>0){
           vv.push_back(v[i]*count);
           wv.push_back(w[i]*count);
        }
    }
    return knapsack_01(vv.size()-1,W,vv.data(),wv.data());
}
int main() {
    int N,W;
    scanf("%d%d",&N,&W);
    int v[N];
    for(int i=0;i<N;++i){
        scanf("%d",&v[i]);
    }
    int w[N];
    for(int i=0;i<N;++i){
        scanf("%d",&w[i]);
    }
    int b[N];
    for(int i=0;i<N;++i){
        scanf("%d",&b[i]);
    }

    printf("%d\n",knapsack_limitnum(N-1,W,v,w,b));
}

单调队列优化

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

int knapsack_limitnum(int n,int W,int* v,int* w,int* b) {
    int dp[W+1];
    fill_n(dp,W+1,0);
    for (int i = 0; i <= n; i++) {
        for (int j = 0; j < w[i]; j++){
            deque<int> p;
            deque<int> q;
            for (int k = j, a = 0; k <= W; k += w[i],a++) {
                if (p.size()==b[i]+1) { 
                    if(q.front()==p.front()) q.pop_front(); 
                    p.pop_front();
                }
                int t = dp[k] - a*v[i];
                p.push_back(t);
                while (!q.empty() && t >= q.back()) q.pop_back();
                q.push_back(t);
                dp[k] = q.front() + a*v[i];
            }
        }
    }
    return dp[W];
}
int main() {
    int N,W;
    scanf("%d%d",&N,&W);
    int v[N];
    for(int i=0;i<N;++i){
        scanf("%d",&v[i]);
    }
    int w[N];
    for(int i=0;i<N;++i){
        scanf("%d",&w[i]);
    }
    int b[N];
    for(int i=0;i<N;++i){
        scanf("%d",&b[i]);
    }
    printf("%d\n",knapsack_limitnum(N-1,W,v,w,b));
}

总结

先枚举物品，再枚举容量
01背包问题，逆序枚举容量；完全背包问题，顺序枚举容量。
状态转移方程是dp[j]=max(dp[j],dp[j-w[i]]+v[i])。
多重背包是k个01背包问题。

1. 0/1背包问题

1.1 自顶而下(递归)

蓝色节点表示重复计算部分

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

int knapsack(int i, int w,int*weights,int*values,vector<int>* dp) {
  if (w == 0) // 刚好装下
    return 0;
  if (weights[i] > w)  // 超重
    return 0;
  if (i < 0)  // 没有物品
    return 0;
  // 选择第i件物品，剩余重量减少，总价值增加，且只能再选择下一件物品
  // 不选择第i件物品，剩余重量不变，总价值不变，且只能再选择下一件物品
  if(0 != dp[i][w]) return dp[i][w];
  return dp[i][w] = max(knapsack(i - 1, w - weights[i],weights,values,dp) + values[i], 
             knapsack(i - 1, w,weights,values,dp));
}

int main(){
    int n,t;
    scanf("%d%d",&n,&t);
    int weights[t];
    int values[t];
    for(int i=0;i<t;++i){
       scanf("%d%d",&weights[i],&values[i]);
    }
    vector<int> dp[t];
    fill_n(dp,t,vector<int>(n+1,0));
    printf("%d\n",knapsack(t-1,n,weights,values,dp));
}

1.2 自底而上(递推)

基本思路：先枚举物品，再枚举容量，如果有足够的容量，则添加进背包。

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

int knapsack(int t, int n,int*weights,int*values,vector<int>* dp) {
    for(int i=1;i<t;++i){
        for(int w=1;w<=n;++w){
            if(w-weights[i] >= 0){// 放的下
                dp[i][w] = max(dp[i-1][w-weights[i]] + values[i],dp[i-1][w]);
            }else{// 放不下
                dp[i][w] = dp[i-1][w];
            }
        }
    }
    return dp[t-1][n];
}
void Print(vector<int>* dp,int t){
    for(int i=0;i<t;++i){
        for(int j=0;j<dp[i].size();++j){
            printf("%d\t",dp[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }
}
int main(){
    int n,t;
    scanf("%d%d",&n,&t);
    int weights[t];
    int values[t];
    for(int i=0;i<t;++i){
       scanf("%d%d",&weights[i],&values[i]);
    }
    vector<int> dp[t];
    fill_n(dp,t,vector<int>(n+1,0));
    
    printf("%d\n",knapsack(t,n,weights,values,dp));
    // Print(dp,t);
}

1.3 滚动数组优化

把原来的二维数组压缩成一个一维数组。

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

int knapsack(int t, int n,int*weights,int*values) {
    int dp[n+1];
    fill_n(dp,n+1,0);
    for(int i=0;i<=t;++i)
        for(int j=n ;j>=weights[i];--j)
            dp[j] = max(dp[j] , dp[j - weights[i]]+values[i]);
    return dp[n];
}
int main(){
    int n,t;
    scanf("%d%d",&n,&t);
    int weights[t];
    int values[t];
    for(int i=0;i<t;++i){
       scanf("%d%d",&weights[i],&values[i]);
    }
    printf("%d\n",knapsack(t-1,n,weights,values));
}

2. 完全背包问题

NOI 1160：完全背包问题

2.1 自顶而下(递归)

注意，可以重复选择

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

int knapsack(int i, int w,int*weights,int*values,vector<int>* dp) {
  if (w == 0) // 刚好装下
    return 0;
  if (weights[i] > w)  // 超重
    return 0;
  if (i < 0)  // 没有物品
    return 0;
  // 选择第i件物品，剩余重量减少，总价值增加，且只能再选择下一件物品
  // 不选择第i件物品，剩余重量不变，总价值不变，且只能再选择下一件物品
  if(0 != dp[i][w]) return dp[i][w];
  return dp[i][w] = max(knapsack(i, w - weights[i],weights,values,dp) + values[i], 
             knapsack(i - 1, w,weights,values,dp));
}

int main(){
    int n,t;
    scanf("%d%d",&n,&t);
    int weights[t];
    int values[t];
    for(int i=0;i<t;++i){
       scanf("%d%d",&weights[i],&values[i]);
    }
    vector<int> dp[t];
    fill_n(dp,t,vector<int>(n+1,0));
    printf("%d\n",knapsack(t-1,n,weights,values,dp));
}

2.2 自底而上(递推)

基本思路：先枚举物品，再枚举容量，如果有足够的容量，则添加进背包。注意，可以重复选择

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

int knapsack(int t, int n,int*weights,int*values,vector<int>* dp) {
    for(int i=1;i<t;++i){
        for(int w=1;w<=n;++w){
            if(w-weights[i] >= 0){// 放的下
                dp[i][w] = max(dp[i][w-weights[i]] + values[i],dp[i-1][w]);
            }else{// 放不下
                dp[i][w] = dp[i-1][w];
            }
        }
    }
    return dp[t-1][n];
}
void Print(vector<int>* dp,int t){
    for(int i=0;i<t;++i){
        for(int j=0;j<dp[i].size();++j){
            printf("%d\t",dp[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }
}
int main(){
    int n,t;
    scanf("%d%d",&n,&t);
    int weights[t];
    int values[t];
    for(int i=0;i<t;++i){
       scanf("%d%d",&weights[i],&values[i]);
    }
    vector<int> dp[t];
    fill_n(dp,t,vector<int>(n+1,0));
    
    printf("%d\n",knapsack(t,n,weights,values,dp));
    // Print(dp,t);
}

2.3 滚动数组优化

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

int knapsack(int t, int n,int*weights,int*values) {
    int dp[n+1];
    fill_n(dp,n+1,0);
    for(int i=0;i<=t;++i)
        for(int j=weights[i] ;j<=n;++j)
            dp[j] = max(dp[j] , dp[j - weights[i]]+values[i]);
    return dp[n];
}
int main(){
    int n,t;
    scanf("%d%d",&n,&t);
    int weights[t];
    int values[t];
    for(int i=0;i<t;++i){
       scanf("%d%d",&weights[i],&values[i]);
    }
    printf("%d\n",knapsack(t-1,n,weights,values));
}

3. 多重背包问题

51nod 1086：多重背包问题
二进制优化

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

int knapsack_01(int n,int W,int* v,int* w){
    int dp[W+1];
    fill_n(dp,W+1,0);
    for(int i=0;i<=n;++i){
        for(int j=W;j>=w[i];--j){
            dp[j] = max(dp[j],dp[j-w[i]]+v[i]);
        }
    }
    return dp[W];
}

int knapsack_limitnum(int n,int W,int* v,int* w,int* b){
    vector<int> vv;
    vector<int> wv;
    for(int i=0;i<=n;++i){
        int count = b[i];
        for(int j=1;j<=count;j<<1){
           vv.push_back(v[i]*j);
           wv.push_back(w[i]*j);
           count-=j;
        }
        if(count>0){
           vv.push_back(v[i]*count);
           wv.push_back(w[i]*count);
        }
    }
    return knapsack_01(vv.size()-1,W,vv.data(),wv.data());
}
int main() {
    int N,W;
    scanf("%d%d",&N,&W);
    int v[N];
    int w[N];
    int b[N];
    for(int i=0;i<N;++i){
        scanf("%d%d%d",&w[i],&v[i],&b[i]);
    }
    printf("%d\n",knapsack_limitnum(N-1,W,v,w,b));
}

单调队列优化

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

int knapsack_limitnum(int n,int W,int* v,int* w,int* b) {
    int dp[W+1];
    fill_n(dp,W+1,0);
    for (int i = 0; i <= n; i++) {
        for (int j = 0; j < w[i]; j++){
            deque<int> p;
            deque<int> q;
            for (int k = j, a = 0; k <= W; k += w[i],a++) {
                if (p.size()==b[i]+1) { 
                    if(q.front()==p.front()) q.pop_front(); 
                    p.pop_front();
                }
                int t = dp[k] - a*v[i];
                p.push_back(t);
                while (!q.empty() && t >= q.back()) q.pop_back();
                q.push_back(t);
                dp[k] = q.front() + a*v[i];
            }
        }
    }
    return dp[W];
}
int main() {
    int N,W;
    scanf("%d%d",&N,&W);
    int v[N];
    int w[N];
    int b[N];
    for(int i=0;i<N;++i){
        scanf("%d%d%d",&w[i],&v[i],&b[i]);
    }
    printf("%d\n",knapsack_limitnum(N-1,W,v,w,b));
}

动态演示

VisualGo测试数据

i=3,w=4
[30,20,15,20]
[4,3,1,1]

蓝色节点表示重复计算部分

/* base caseS */
if (w == 0 || i < 0) return 0;
if (a2[i] > w) return f(i-1, w);
/* recursive caseS */
return Math.max(
  a1[i] + f(i-1, w-a2[i]), /* take */
          f(i-1, w)); /* not take */

蓝色节点表示重复计算部分

/* base caseS */
if (w == 0 || i < 0) return 0;
if (a2[i] > w) return 0;
/* recursive caseS */
return Math.max(
  a1[i] + f(i-1, w-a2[i]), /* take */
          f(i-1, w)); /* not take */

混合背包

有的物品只可以取一次（01背包），有的物品可以取无限次（完全背包），有的物品可以取的次数有一个上限（多重背包）

for(int i=1;i<=n;i++)
{
    if(第i件物品是01背包)
        for(int j=V;j>=c[i];j--)
            f[j] = max(f[j],f[j-c[i]]+w[i]);
    else if(第i件物品是完全背包)
        for(int j=c[i];j<=V;j++)
            f[j] = max(f[j],f[j-c[i]]+w[i]);
    else if(第i件物品是多重背包)
        MutiplyPack();
}

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01背包问题

完全背包问题

多重背包问题

1. 0/1背包问题

1.1 自顶而下(递归)

1.2 自底而上(递推)

1.3 滚动数组优化

2. 完全背包问题

2.1 自顶而下(递归)

2.2 自底而上(递推)

2.3 滚动数组优化

3. 多重背包问题

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混合背包

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