动态规划-01背包问题

动态规划问题解题步骤:
1.确定dp数组以及下标的含义
2.确定递推公式
3.dp数组如何初始化
4.确定遍历顺序
5.举例推导dp数组


划分背包问题.png

01背包

有N件物品和一个最大容量为W的背包。第i件物品的重量是weight[i],得到的价值是value[i] 。每件物品只能用一次,求解将哪些物品装入背包里物品价值总和最大。
现在假设背包最大容量为4。
物品信息为:weight={1,3,4},value={15,20,30}。

二维dp数组01背包

1.确定dp数组以及下标的含义
dp[i][j] 表示从下标为[0-i]的物品里任意取,放进容量为j的背包,价值总和最大是多少。

2.确定递推公式
面对当前物品有两种可能性:

  • 包的容量比该物品重量小,装不下,此时的最大价值与前i-1个的最大价值是一样的,即dp[i][j]=dp[i-1][j];
  • 还有足够的容量可以装该物品,但装了也不一定达到当前最大价值,所以在装与不装之间选择最优的一个,即dp[i][j]=max(dp[i - 1][j], dp[i - 1][j - weight[i]] + value[i]);

综上可以从两个方向推出dp[i][j]

  • 由dp[i - 1][j]推出,即背包容量为j,里面不放物品i的最大价值,此时dp[i][j]就是dp[i - 1][j]。
  • 由dp[i - 1][j - weight[i]]推出,dp[i - 1][j - weight[i]] 为背包容量为j - weight[i]的时候不放物品i的最大价值,那么dp[i - 1][j - weight[i]] + value[i] (物品i的价值),就是背包放物品i得到的最大价值。

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

3.dp数组如何初始化
根据递推公式和dp数组的定义来初始化dp数组。
首先如果背包容量j为0的话,dp[i][0]一定为0。

其次,根据状态转移方程dp[i][j]=max(dp[i - 1][j], dp[i - 1][j - weight[i]] + value[i];可以看出i是由i-1推导出来,所以i为0时要初始化。

dp[0][j],即存放编号为0的物品是,各个容量的背包可以存放的最大价值。

// 倒叙遍历
for (int j = bagWeight; j >= weight[0]; j--) {
    dp[0][j] = dp[0][j - weight[0]] + value[0]; // 初始化i为0时候的情况
}

其余下标的初始化,有两种情况,一是零,二是负无穷。如何题目给出的价值都是正整数,那么其余下标初始化为0,若给的价值有负数,就初始化为负无穷。这样就可以保证dp数组在递推过程中取最大的价值,而不会被初始值影响。

4.确定遍历顺序
有两个遍历的维度:物品和背包容量。
具体的遍历顺序要根据题目来确定,本题都可以(主要根据递推公式来决定递推方向)。

5.举例推导dp数组
本题推导结果如下:



最终结果就是dp[2][4]

完整测试代码:

public void ZeroOnePack1(){
        int[] weight={1,3,4};
        int[] value={15,20,30};
        int bagWeight=4;

        //二维数组dp
        int[][] dp=new int[weight.length][bagWeight+1];
        
        //初始化
        for (int j=bagWeight;j>=weight[0];j--){
            dp[0][j]=dp[0][j-weight[0]]+value[0];
        }
        
        //weight数组的大小就是物品个数
        for (int i=1;i<weight.length;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]=Math.max(dp[i-1][j],dp[i-1][j-weight[i]]+value[i]);
            }
        }

        System.out.println(dp[weight.length-1][bagWeight]);
    }

一维dp数组(滚动数组)

使用滚动数组将dp数组压缩成一维的。

1.确定dp数组的定义
在一维dp数组中,dp[j]表示:容量为j的背包,所背的物品价值可以最大为dp[j]。

2.一维dp数组的递推公式

  • dp[j]可以通过dp[j-weight[i]推导出来,dp[j - weight[i]]表示容量为j - weight[i]的背包所背的最大价值。
  • dp[j]也可以通过dp[j - weight[i]] + value[i]推导出来,dp[j - weight[i]] + value[i] 表示 容量为 j - 物品i重量 的背包 加上 物品i的价值。(也就是容量为j的背包,放入物品i了之后的价值即:dp[j])。

道理与二维dp数组相同。
所以递推公式为:

dp[j] = max(dp[j], dp[j - weight[i]] + value[i]);

可以看出相对于二维dp数组的写法,就是把dp[i][j]中i的维度去掉了。

3.一维dp数组如何初始化
dp[j]表示:容量为j的背包,所背的物品价值可以最大为dp[j],那么dp[0]就应该是0,因为背包容量为0所背的物品的最大价值就是0。
同理其它下标的初始化要么为0,要么为负无穷。

4.一维dp数组遍历顺序
代码如下:

for(int i = 0; i < weight.size(); i++) { // 遍历物品
    for(int j = bagWeight; j >= weight[i]; j--) { // 遍历背包容量
        dp[j] = max(dp[j], dp[j - weight[i]] + value[i]);
    }
}

这里一维dp遍历是,背包是从大到小的,这是为了保证物品i只被放入一次。
而且这里只能先遍历物品嵌套遍历背包容量。

5.举例推导dp数组

一维dp01背包完整测试代码

public void bag_problem2(){
        int[] weight={1,3,4};
        int[] value={15,20,30};
        int bagWeight=4;

        //一维数组dp
        int[] dp=new int[bagWeight+1];

        //初始化
        dp[0]=0;

        //遍历
        for (int i=0;i<weight.length;i++){//遍历物品
            for (int j=bagWeight;j>=weight[i];j--){//遍历背包容量
                    dp[j]=Math.max(dp[j],dp[j-weight[i]]+value[i]);
            }

        }

        System.out.println(dp[bagWeight]);
    }

参考自:
https://mp.weixin.qq.com/s/FwIiPPmR18_AJO5eiidT6w
https://mp.weixin.qq.com/s/M4uHxNVKRKm5HPjkNZBnFA

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