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代码随想录训练第三十天|01背包理论基础、01背包、LeetCode416.分割等和子集

时间:2024-07-31 18:56:48浏览次数:17  
标签:01 weight int 随想录 背包 数组 物品 dp

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01背包理论基础

背包问题的理论基础重中之重是01背包,一定要理解透!

leetcode上没有纯01背包的问题,都是01背包应用方面的题目,也就是需要转化为01背包问题。

所以我先通过纯01背包问题,把01背包原理讲清楚,后续再讲解leetcode题目的时候,重点就是讲解如何转化为01背包问题了

之前可能有些录友已经可以熟练写出背包了,但只要把这个文章仔细看完,相信你会意外收获!

01背包

有n件物品和一个最多能背重量为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。

动态规划-背包问题

这是标准的背包问题,以至于很多同学看了这个自然就会想到背包,甚至都不知道暴力的解法应该怎么解了。

这样其实是没有从底向上去思考,而是习惯性想到了背包,那么暴力的解法应该是怎么样的呢?

每一件物品其实只有两个状态,取或者不取,所以可以使用回溯法搜索出所有的情况,那么时间复杂度就是 o ( 2 n ) o(2^n) o(2n),这里的n表示物品数量。

所以暴力的解法是指数级别的时间复杂度。进而才需要动态规划的解法来进行优化!

在下面的讲解中,我举一个例子:

背包最大重量为4。

物品为:

重量价值
物品0115
物品1320
物品2430

问背包能背的物品最大价值是多少?

以下讲解和图示中出现的数字都是以这个例子为例。

二维dp数组01背包

依然动规五部曲分析一波。

  1. 确定dp数组以及下标的含义

对于背包问题,有一种写法, 是使用二维数组,即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

只看这个二维数组的定义,大家一定会有点懵,看下面这个图:

动态规划-背包问题1

要时刻记着这个dp数组的含义,下面的一些步骤都围绕这dp数组的含义进行的,如果哪里看懵了,就来回顾一下i代表什么,j又代表什么。

  1. 确定递推公式

再回顾一下dp[i] [j]的含义: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。

那么可以有两个方向推出来dp[i] [j],

  • 不放物品i: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]。(其实就是当物品i的重量大于背包j的重量时,物品i无法放进背包中,所以背包内的价值依然和前面相同。)
  • 放物品i: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

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

  1. dp数组如何初始化

关于初始化,一定要和dp数组的定义吻合,否则到递推公式的时候就会越来越乱

首先从dp[i][j]的定义出发,如果背包容量j为0的话,即dp[i][0],无论是选取哪些物品,背包价值总和一定为0。如图:

动态规划-背包问题2

在看其他情况。

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,那么i为0的时候就一定要初始化。

dp[0] [j],即:i为0,存放编号0的物品的时候,各个容量的背包所能存放的最大价值。

那么很明显当 j < weight[0]的时候,dp[0] [j] 应该是 0,因为背包容量比编号0的物品重量还小。

当j >= weight[0]时,dp[0] [j] 应该是value[0],因为背包容量放足够放编号0物品。

代码初始化如下:

//就是先保证只选第一个物品的背包价值
for (int j = weight[0]; j <= bagweight; j++) {
    dp[0][j] = value[0];
}

此时dp数组初始化情况如图所示:

动态规划-背包问题7

dp[0][j] 和 dp[i][0] 都已经初始化了,那么其他下标应该初始化多少呢?

其实从递归公式: dp[i][j] = max(dp[i - 1][j], dp[i - 1][j - weight[i]] + value[i]); 可以看出dp[i][j] 是由左上方数值推导出来了,那么 其他下标初始为什么数值都可以,因为都会被覆盖。

初始-1,初始-2,初始100,都可以!

但只不过一开始就统一把dp数组统一初始为0,更方便一些。

如图:

动态规划-背包问题10

最后初始化代码如下:

// 初始化 dp
int[][] dp = new int[weight.length][bagweight+1]
for (int j = weight[0]; j <= bagweight; j++) {
    dp[0][j] = value[0];
}

费了这么大的功夫,才把如何初始化讲清楚,有时候感觉是不靠谱的

  1. 确定遍历顺序

在如下图中,可以看出,有两个遍历的维度:物品与背包重量

动态规划-背包问题3

那么问题来了,先遍历 物品还是先遍历背包重量呢?

其实都可以!! 但是先遍历物品更好理解

那么我先给出先遍历物品,然后遍历背包重量的代码。

        for (int i = 1; i < weight.length; i++) {
            for (int j = 0; j < bagSize + 1; j++) {
                //如果当前背包的空间小于当前物品的重量,则不放入当前物品
                if (j < weight[i]) {
                    dp[i][j] = dp[i - 1][j];
                }
                /**
                 * 当前背包的容量可以放下物品i
                 * 那么此时分两种情况:
                 *    1、不放物品i
                 *    2、放物品i
                 * 比较这两种情况下,哪种背包中物品的最大价值最大
                 */
                else {
                    //不放当前物品的价值
                    int not = dp[i - 1][j];
                    //放入当前物品的价值
                    int yes = dp[i - 1][j - weight[i]] + value[i];
                    dp[i][j] = Math.max(not, yes);
                }
            }
        }

要理解递归的本质和递推的方向

dp[i][j] = max(dp[i - 1][j], dp[i - 1][j - weight[i]] + value[i]); 递归公式中可以看出dp[i][j]是靠dp[i-1][j]和dp[i - 1][j - weight[i]]推导出来的。

dp[i-1][j]和dp[i - 1][j - weight[i]] 都在dp[i][j]的左上角方向(包括正上方向),那么先遍历物品,再遍历背包的过程如图所示:

动态规划-背包问题5

  1. 举例推导dp数组

来看一下对应的dp数组的数值,如图:

动态规划-背包问题4

最终结果就是dp[2][4]。

建议大家此时自己在纸上推导一遍,看看dp数组里每一个数值是不是这样的。

做动态规划的题目,最好的过程就是自己在纸上举一个例子把对应的dp数组的数值推导一下,然后在动手写代码!

很多同学做dp题目,遇到各种问题,然后凭感觉东改改西改改,怎么改都不对,或者稀里糊涂就改过了。

主要就是自己没有动手推导一下dp数组的演变过程,如果推导明白了,代码写出来就算有问题,只要把dp数组打印出来,对比一下和自己推导的有什么差异,很快就可以发现问题了。

public static void main(String[] args) {
    int[] weight = {1, 3, 4};
    int[] value = {15, 20, 30};
    int bagSize = 4;
    testWeightBagProblem(weight, value, bagSize);
}

/**
 * 动态规划获得结果
 *
 * @param weight  物品的重量
 * @param value   物品的价值
 * @param bagSize 背包的容量
 */
public static void testWeightBagProblem(int[] weight, int[] value, int bagSize) {
    //创建dp数组,第一个为获取物品的数量,第二个为背包的大小
    int[][] dp = new int[weight.length][bagSize + 1];
    //初始化dp数组,只初始化第一行
    for (int i = 0; i < bagSize + 1; i++) {
        if (i >= weight[0]) {
            dp[0][i] = value[0];
        }
    }

    for (int i = 1; i < weight.length; i++) {
        for (int j = 0; j < bagSize + 1; j++) {
            //如果当前背包的空间小于当前物品的重量,则不放入当前物品
            if (j < weight[i]) {
                dp[i][j] = dp[i - 1][j];
            }
            /**
             * 当前背包的容量可以放下物品i
             * 那么此时分两种情况:
             *    1、不放物品i
             *    2、放物品i
             * 比较这两种情况下,哪种背包中物品的最大价值最大
             */
            else {
                //不放当前物品的价值
                int not = dp[i - 1][j];
                //放入当前物品的价值
                int yes = dp[i - 1][j - weight[i]] + value[i];
                dp[i][j] = Math.max(not, yes);
            }
        }
    }
    // 打印dp数组
    for (int i = 0; i < weight.length; i++) {
        for (int j = 0; j <= bagSize; j++) {
            System.out.print(dp[i][j] + "\t");
        }
        System.out.println("\n");
    }
}

一维dp数组(滚动数组)

对于背包问题其实状态都是可以压缩的。

在使用二维数组的时候,递推公式:dp[i][j] = max(dp[i - 1][j], dp[i - 1][j - weight[i]] + value[i]);

其实可以发现如果把dp[i - 1]那一层拷贝到dp[i]上,表达式完全可以是:dp[i][j] = max(dp[i] [j], dp[i] [j - weight[i]] + value[i]);

与其把dp[i - 1]这一层拷贝到dp[i]上,不如只用一个一维数组了,只用dp[j](一维数组,也可以理解是一个滚动数组)。

这就是滚动数组的由来,需要满足的条件是上一层可以重复利用,直接拷贝到当前层。

读到这里估计大家都忘了 dp[i] [j]里的i和j表达的是什么了,i是物品,j是背包容量。

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

一定要时刻记住这里i和j的含义,要不然很容易看懵了。

动态规划五部曲

  1. 确定dp数组的含义

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]。

  1. 确定一维dp数组的递推公式

dp[j]为 容量为j的背包所背的最大价值,那么如何推导dp[j]呢?

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 - 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])

此时dp[j]有两个选择,一个是取自己dp[j] 相当于二维dp数组中的dp[i-1] [j],即不放物品i,一个是取dp[j - weight[i]] + value[i],即放物品i,指定是取最大的,毕竟是求最大价值,

所以递归公式为:

dp[j] = Math.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。

  1. 一维dp数组初始化

关于初始化,一定要和dp数组的定义吻合,否则到递推公式的时候就会越来越乱

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。

那么dp数组除了下标0的位置,初始为0,其他下标应该初始化多少呢?

看一下递归公式:dp[j] = max(dp[j], dp[j - weight[i]] + value[i]);

dp数组在推导的时候一定是取价值最大的数,如果题目给的价值都是正整数那么非0下标都初始化为0就可以了。

这样才能让dp数组在递归公式的过程中取的最大的价值,而不是被初始值覆盖了

那么我假设物品价值都是大于0的,所以dp数组初始化的时候,都初始为0就可以了。

  1. 一维dp数组遍历顺序
        for (int i = 1; i < weight.length; i++) {
            for (int j = bagSize; j >= weight[i]; j--) {
                //当前是不需要再进行背包的空间与当前物品的重量的判断
                dp[j] = Math.max(dp[j], dp[j - weight[i]] + value[i]);
            }
        }

这里大家发现和二维dp的写法中,遍历背包的顺序是不一样的!

二维dp遍历的时候,背包容量是从小到大,而一维dp遍历的时候,背包是从大到小。

为什么呢?

倒序遍历是为了保证物品i只被放入一次!。但如果一旦正序遍历了,那么物品0就会被重复加入多次!

举一个例子:物品0的重量weight[0] = 1,价值value[0] = 15

如果正序遍历

dp[1] = dp[1 - weight[0]] + value[0] = 15

dp[2] = dp[2 - weight[0]] + value[0] = 30

此时dp[2]就已经是30了,意味着物品0,被放入了两次,所以不能正序遍历。

为什么倒序遍历,就可以保证物品只放入一次呢?

倒序就是先算dp[2]

dp[2] = dp[2 - weight[0]] + value[0] = 15 (dp数组已经都初始化为0)

dp[1] = dp[1 - weight[0]] + value[0] = 15

所以从后往前循环,每次取得状态不会和之前取得状态重合,这样每种物品就只取一次了。

那么问题又来了,为什么二维dp数组遍历的时候不用倒序呢?

因为对于二维dp,dp[i] [j]都是通过上一层即dp[i - 1] [j]计算而来,本层的dp[i] [j]并不会被覆盖!

使用一维数组的话,从前向后遍历会覆盖上一层数组,会导致物品i会被放入多次,从后向前遍历则避免了这个问题.

(如何这里读不懂,大家就要动手试一试了,空想还是不靠谱的,实践出真知!)

再来看看两个嵌套for循环的顺序,代码中是先遍历物品嵌套遍历背包容量,那可不可以先遍历背包容量嵌套遍历物品呢?

不可以!

因为一维dp的写法,背包容量一定是要倒序遍历(原因上面已经讲了),如果遍历背包容量放在上一层,那么每个dp[j]就只会放入一个物品,即:背包里只放入了一个物品。

倒序遍历的原因是,本质上还是一个对二维数组的遍历,并且右下角的值依赖上一层左上角的值,因此需要保证左边的值仍然是上一层的,从右向左覆盖。

(这里如果读不懂,就再回想一下dp[j]的定义,或者就把两个for循环顺序颠倒一下试试!)

所以一维dp数组的背包在遍历顺序上和二维其实是有很大差异的!,这一点大家一定要注意。

  1. 举例推导dp数组

一维dp,分别用物品0,物品1,物品2 来遍历背包,最终得到结果如下:

动态规划-背包问题9

public static void main(String[] args) {
    int[] weight = {1, 3, 4};
    int[] value = {15, 20, 30};
    int bagSize = 4;
    testWeightBagProblem(weight, value, bagSize);
}

/**
 * 动态规划获得结果
 *
 * @param weight  物品的重量
 * @param value   物品的价值
 * @param bagSize 背包的容量
 */
public static void testWeightBagProblem(int[] weight, int[] value, int bagSize) {
    //创建dp数组,第一个为获取物品的数量,第二个为背包的大小
    int[] dp = new int[bagSize + 1];
    //初始化dp数组,只初始化第一行
    for (int i = 0; i < bagSize + 1; i++) {
        if (i >= weight[0]) {
            dp[i] = value[0];
        }
    }

    //第一层为物品的重量
    for (int i = 1; i < weight.length; i++) {
        //第二层为背包的容量
        for (int j = bagSize; j >= weight[i]; j--) {
            //当前是不需要再进行背包的空间与当前物品的重量的判断
            //一共就两种情况,只需要判断这
            dp[j] = Math.max(dp[j], dp[j - weight[i]] + value[i]);
        }
    }
    // 打印dp数组
    for (int i = 0; i < dp.length; i++) {
        System.out.print(dp[i] + "  ");
    }
}

416.分割等和子集

给你一个 只包含正整数非空 数组 nums 。请你判断是否可以将这个数组分割成两个子集,使得两个子集的元素和相等。

示例 1:

输入:nums = [1,5,11,5]
输出:true
解释:数组可以分割成 [1, 5, 5] 和 [11] 。

示例 2:

输入:nums = [1,2,3,5]
输出:false
解释:数组不能分割成两个元素和相等的子集。

提示:

  • 1 <= nums.length <= 200
  • 1 <= nums[i] <= 100

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  • 动态规划

思路

这道题目初步看,和如下两题几乎是一样的,大家可以用回溯法,解决如下两题

  • 698.划分为k个相等的子集
  • 473.火柴拼正方形

这道题目是要找是否可以将这个数组分割成两个子集,使得两个子集的元素和相等。

那么只要找到集合里能够出现 sum / 2 的子集总和,就算是可以分割成两个相同元素和子集了。

本题是可以用回溯暴力搜索出所有答案的,但最后超时了,也不想再优化了,放弃回溯,直接上01背包吧。

背包问题,大家都知道,有N件物品和一个最多能背重量为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。

背包问题有多种背包方式,常见的有:01背包、完全背包、多重背包、分组背包和混合背包等等。

要注意题目描述中商品是不是可以重复放入。

即一个商品如果可以重复多次放入是完全背包,而只能放入一次是01背包,写法还是不一样的。

要明确本题中我们要使用的是01背包,因为元素我们只能用一次。

回归主题:首先,本题要求集合里能否出现总和为 sum / 2 的子集。

那么来一一对应一下本题,看看背包问题如何来解决。

只有确定了如下四点,才能把01背包问题套到本题上来。

  • 背包的体积为sum / 2
  • 背包要放入的商品(集合里的元素)重量为 元素的数值,价值也为元素的数值
  • 背包如果正好装满,说明找到了总和为 sum / 2 的子集。
  • 背包中每一个元素是不可重复放入。

以上分析完,我们就可以套用01背包,来解决这个问题了。

动规五部曲分析如下:

  1. 确定dp数组以及下标的含义

01背包中,dp[j] 表示: 容量为j的背包,所背的物品价值最大可以为dp[j]。

本题中每一个元素的数值既是重量,也是价值。

套到本题,dp[j]表示 背包总容量(所能装的总重量)是j,放进物品后,背的最大重量为dp[j]

那么如果背包容量为target, dp[target]就是装满 背包之后的重量,所以 当 dp[target] == target 的时候,背包就装满了。

有录友可能想,那还有装不满的时候?

拿输入数组 [1, 5, 11, 5],举例, dp[7] 只能等于 6,因为 只能放进 1 和 5。

而dp[6] 就可以等于6了,放进1 和 5,那么dp[6] == 6,说明背包装满了。

  1. 确定递推公式

01背包的递推公式为:dp[j] = max(dp[j], dp[j - weight[i]] + value[i]);

本题,相当于背包里放入数值,那么物品i的重量是nums[i],其价值也是nums[i]。

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

  1. dp数组初始化

在01背包,一维dp如何初始化,已经讲过,

从dp[j]的定义来看,首先dp[0]一定是0。

如果题目给的价值都是正整数那么非0下标都初始化为0就可以了,如果题目给的价值有负数,那么非0下标就要初始化为负无穷。

这样才能让dp数组在递推的过程中取得最大的价值,而不是被初始值覆盖了

本题题目中 只包含正整数的非空数组,所以非0下标的元素初始化为0就可以了。

代码如下:

    int target = sum / 2;
    int[] dp = new int[target + 1];
  1. 确定遍历顺序

动态规划:关于01背包问题,你该了解这些!(滚动数组) (opens new window)中就已经说明:如果使用一维dp数组,物品遍历的for循环放在外层,遍历背包的for循环放在内层,且内层for循环倒序遍历!

代码如下:

    //遍历数组(物品)
    for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
        // 每一个元素一定是不可重复放入,所以从大到小遍历
        for (int j = target; j >= nums[i]; j--) {
            //物品 i 的重量是 nums[i],其价值也是 nums[i]
            dp[j] = Math.max(dp[j], dp[j - nums[i]] + nums[i]);
        }
    }
  1. 举例推导dp数组

dp[j]的数值一定是小于等于j的。

如果dp[j] == j 说明,集合中的子集总和正好可以凑成总和j,理解这一点很重要。

用例1,输入[1,5,11,5] 为例,如图:

416.分割等和子集2

最后dp[11] == 11,说明可以将这个数组分割成两个子集,使得两个子集的元素和相等。

整体代码如下:

public boolean canPartition(int[] nums) {
    if (nums == null || nums.length == 0) return false;
    //先找到当前nums的总和
    int sum = 0;
    for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
        sum += nums[i];
    }
    //总和为基数直接返回false
    if (sum % 2 == 1) {
        return false;
    }
    int target = sum / 2;
    int[] dp = new int[target + 1];
    //遍历数组(物品)
    for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
        // 每一个元素一定是不可重复放入,所以从大到小遍历
        for (int j = target; j >= nums[i]; j--) {
            //物品 i 的重量是 nums[i],其价值也是 nums[i]
            dp[j] = Math.max(dp[j], dp[j - nums[i]] + nums[i]);
        }
    }
    return dp[target] == target;
}
  • 时间复杂度:O(n^2)
  • 空间复杂度:O(n),虽然dp数组大小为一个常数,但是大常数

二维dp数组解法

public boolean canPartition(int[] nums) {
    if (nums == null || nums.length == 0) return false;
    //先找到当前nums的总和
    int sum = 0;
    for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
        sum += nums[i];
    }
    //总和为基数直接返回false
    if (sum % 2 == 1) {
        return false;
    }
    int target = sum / 2;
    int[][] dp = new int[nums.length][target + 1];
    //遍历数组(物品)
    for (int i = 1; i < nums.length; i++) {
        for (int j = 0; j <= target; j++) {
            //如果当前背包的空间小于当前物品的重量,则不放入当前物品
            if (j < nums[i]) {
                dp[i][j] = dp[i - 1][j];
            } else {
                //如果当前背包的空间大于等于当前物品的重量,选择放入或者不放入
                int not = dp[i - 1][j];
                int yes = dp[i - 1][j - nums[i]] + nums[i];
                dp[i][j] = Math.max(not, yes);
            }
        }
    }
    return dp[nums.length - 1][target] == target;
}
  • 时间复杂度:O(n^2)
  • 空间复杂度:O(n^2)

标签:01,weight,int,随想录,背包,数组,物品,dp
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