算法-01揹包問題【對於 f[i][j] 的 j 爲不超過、恰好等於、剩餘空間的詳解】

三種情況分析以及代碼解釋

題目如下:

有 N 件物品和一個容量是 V 的揹包。每件物品只能使用一次。

第 i 件物品的體積是 vi,價值是 wi。

求解將哪些物品裝入揹包,可使這些物品的總體積不超過揹包容量,且總價值最大。
輸出最大價值。

輸入格式
第一行兩個整數,N,V,用空格隔開,分別表示物品數量和揹包容積。

接下來有 N 行,每行兩個整數 vi,wi,用空格隔開,分別表示第 i 件物品的體積和價值。

輸出格式
輸出一個整數,表示最大價值。

數據範圍
0<N,V≤1000
0<vi,wi≤1000
輸入樣例
4 5
1 2
2 4
3 4
4 5
輸出樣例:
8

需要輸入:

  • 物品數量 n,最大容量v
  • (n行)每個物品的體積、質量

申請空間:

  • int n, v
  • int vx[] 各個物品的體積
  • int m[] 各個物品的質量
  • int f[][] 各個狀態下的最大質量

首先列出這三種情況:

  • f[ i ] [ j ] 表示爲前 i 個物品,在體積不超過 j 的前提下的最大質量
  • f[ i ][ j ] 表示爲前 i 個物品,在體積恰好等於 j 的前提下的最大質量
  • f[ i ][ j ] 表示爲前 i 個物品,在體積剩餘 j 的前提下的最大質量

不超過j

關鍵性代碼

for(int i = 1; i <= n; i++ ){//前i個 
	for(int j = 0; j <= v; j++ ){
		f[i][j] = f[i - 1][j];//不選第i個物品
		if(j >= vx[i])//此時存在一個體積不超過 j-vx[i] ,如果在加上v[i]則纔是,體積不超過j 
			f[i][j] = max(f[i][j], f[i - 1][j - vx[i]] + m[i]);//爲啥是j-vx[i],是因爲當選擇了第i個商品,
			//此時的f[i][j]爲:選擇前i件,體積不超過j的最大質量(而這個質量又由 f[i-1][j - vx[i] 的最大質量 + m[i]得到)
	}
}

最重要的其實是這一塊

if(j >= vx[i])
	f[i][j] = max(f[i][j], f[i - 1][j - vx[i]] + m[i]);
  • f[ i ][ j ] :不選擇第 i 個物品時的最大質量 (因爲 if 之前已經賦值了)
  • f[ i-1] [ j-vx[i] ] :不選第 i 個物品時的最大質量,且此時體積不超過 j - vx[i](這裏要不超過是因爲,加上 vx[ i ]後就滿足不超過 j
  • f[ i-1] [ j-vx[i] ] + w[ i ] 爲選擇第 i 個物品時,體積不超過 j 的最大質量

有人可能還不理解,舉個例子:

f [3][5] = max(f[2][5], f[2][5-vx[3]] + m[3])

解釋 f [2][ 5 - vx[3] ] + m[ 3 ]

  • f [2][5 - vx[3]]:在前2件物品中選擇,且體積不超過 5 - vx[3] 時的最大質量。
  • f [2][ 5 - vx[3] ] + m[3] :在前2件物品中選擇,且體積不超過 5 - vx[3] 時的最大質量,此時再加上 第3件物品的質量(這樣得到的就是,在前3件物品的選擇下 (此時是選擇了第三件物品) 體積不超過 5 的最大質量)

輸出答案: f[ n ][ v ](無須遍歷求max)

關於不超過情況的詳細代碼(一維數組、二維數組實現)

恰好等於

恰好等於這個情況中,它的式子跟不超過時的情況是一樣的,唯一不同的有兩點:

for(int i = 1; i <= n; i++ ){//前i個,此時從第2個開始 
		for(int j = 0; j <= v; j++ ){//此時的體積 
			f[i][j] = f[i - 1][j];//不選第i個物品
			if(j >= vx[i] && (j == vx[i] || f[i][j-vx[i]] != 0))
				f[i][j] = max(f[i][j], f[i - 1][j - vx[i]] + m[i]);//爲啥是j-vx[i],是因爲當選擇了第i個商品,
				//需要當不選 i 的時候,體積有能容納 i(才需要j>=vx[i])
		}
	}
  • 判斷不同:
if(j >= vx[i] && (j == vx[i] || f[i][j-vx[i]] != 0))

解釋:
j >= vx[ i ]: 防止後面的數組越界

f[ i ][ j - vx[ i ] ] != 0 :如果等於零,證明能湊出這個體積的最大質量沒有(如果不等於0,證明存在湊出體積爲 j - vx[ i ] 的最大質量)

j == vx[ i ] : 就是自己的體積正好是 j ,而湊出體積爲0的最大質量就爲0

  • 輸出不同:

    輸出的答案去要取 f[ n ][0 ~ v] 中的最大值,因爲不一定最大質量就是佔的最大體積。
    

關於恰好等於情況的詳細代碼(一維數組、二維數組實現)

剩餘空間

關鍵代碼

for(int i = 1; i <= n; i++ ){//前i個 
		for(int j = 0; j <= v; j++ ){//此時剩餘體積爲j 
			f[i][j] = f[i - 1][j];//不選第i個物品
			if(j + vx[i] <= v)//防止越界 
				f[i][j] = max(f[i][j], f[i - 1][j + vx[i]] + m[i]);//爲啥是j+vx[i],是因爲當選擇了第i個商品,
				//此時的剩餘體積肯定是減少的,考慮i的體積爲2,比如求剩餘體積爲7的,那麼一定是從剩餘體積爲9變化過來的 
		}
	}
if(j + vx[i] <= v)//防止越界 
	f[i][j] = max(f[i][j], f[i - 1][j + vx[i]] + m[i]);

解釋:爲啥是 j+vx[i],是因爲當選擇了第 i 個商品,此時的剩餘體積肯定是減少的,設考慮 i 的體積爲 2,比如求剩餘體積爲7的,那麼一定是從剩餘體積爲9變化過來的

f[ i ][ 7 ] = max(f[ i ][ 7 ],f[ i -1][ 7 + 2] + m[ i ]

所以就是剩餘空間爲7 的時候的最大質量,是由剩餘空間爲 9 的最大質量加上 第 i 件物品(它的體積是2,重量是m[ i ])

  • 輸出:

    輸出的答案去要取 f[ n ][0 ~ v] 中的最大值,因爲不一定最大質量就是剩有最小體積。
    

關於剩餘空間情況的詳細代碼(一維數組、二維數組實現)

ps:雖然這三種代碼實現都差不多,但是想要真正理解01揹包問題的話就還是得把他們區分開來,這要也是考驗自己是否真正理解吧

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