算法-01揹包问题【对于 f[i][j] 的 j 为不超过、恰好等于、剩余空间的详解】

三种情况分析以及代码解释

题目如下:

有 N 件物品和一个容量是 V 的揹包。每件物品只能使用一次。

第 i 件物品的体积是 vi,价值是 wi。

求解将哪些物品装入揹包,可使这些物品的总体积不超过揹包容量,且总价值最大。
输出最大价值。

输入格式
第一行两个整数,N,V,用空格隔开,分别表示物品数量和揹包容积。

接下来有 N 行,每行两个整数 vi,wi,用空格隔开,分别表示第 i 件物品的体积和价值。

输出格式
输出一个整数,表示最大价值。

数据范围
0<N,V≤1000
0<vi,wi≤1000
输入样例
4 5
1 2
2 4
3 4
4 5
输出样例:
8

需要输入:

  • 物品数量 n,最大容量v
  • (n行)每个物品的体积、质量

申请空间:

  • int n, v
  • int vx[] 各个物品的体积
  • int m[] 各个物品的质量
  • int f[][] 各个状态下的最大质量

首先列出这三种情况:

  • f[ i ] [ j ] 表示为前 i 个物品,在体积不超过 j 的前提下的最大质量
  • f[ i ][ j ] 表示为前 i 个物品,在体积恰好等于 j 的前提下的最大质量
  • f[ i ][ j ] 表示为前 i 个物品,在体积剩余 j 的前提下的最大质量

不超过j

关键性代码

for(int i = 1; i <= n; i++ ){//前i个 
	for(int j = 0; j <= v; j++ ){
		f[i][j] = f[i - 1][j];//不选第i个物品
		if(j >= vx[i])//此时存在一个体积不超过 j-vx[i] ,如果在加上v[i]则才是,体积不超过j 
			f[i][j] = max(f[i][j], f[i - 1][j - vx[i]] + m[i]);//为啥是j-vx[i],是因为当选择了第i个商品,
			//此时的f[i][j]为:选择前i件,体积不超过j的最大质量(而这个质量又由 f[i-1][j - vx[i] 的最大质量 + m[i]得到)
	}
}

最重要的其实是这一块

if(j >= vx[i])
	f[i][j] = max(f[i][j], f[i - 1][j - vx[i]] + m[i]);
  • f[ i ][ j ] :不选择第 i 个物品时的最大质量 (因为 if 之前已经赋值了)
  • f[ i-1] [ j-vx[i] ] :不选第 i 个物品时的最大质量,且此时体积不超过 j - vx[i](这里要不超过是因为,加上 vx[ i ]后就满足不超过 j
  • f[ i-1] [ j-vx[i] ] + w[ i ] 为选择第 i 个物品时,体积不超过 j 的最大质量

有人可能还不理解,举个例子:

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

解释 f [2][ 5 - vx[3] ] + m[ 3 ]

  • f [2][5 - vx[3]]:在前2件物品中选择,且体积不超过 5 - vx[3] 时的最大质量。
  • f [2][ 5 - vx[3] ] + m[3] :在前2件物品中选择,且体积不超过 5 - vx[3] 时的最大质量,此时再加上 第3件物品的质量(这样得到的就是,在前3件物品的选择下 (此时是选择了第三件物品) 体积不超过 5 的最大质量)

输出答案: f[ n ][ v ](无须遍历求max)

关于不超过情况的详细代码(一维数组、二维数组实现)

恰好等于

恰好等于这个情况中,它的式子跟不超过时的情况是一样的,唯一不同的有两点:

for(int i = 1; i <= n; i++ ){//前i个,此时从第2个开始 
		for(int j = 0; j <= v; j++ ){//此时的体积 
			f[i][j] = f[i - 1][j];//不选第i个物品
			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]);//为啥是j-vx[i],是因为当选择了第i个商品,
				//需要当不选 i 的时候,体积有能容纳 i(才需要j>=vx[i])
		}
	}
  • 判断不同:
if(j >= vx[i] && (j == vx[i] || f[i][j-vx[i]] != 0))

解释:
j >= vx[ i ]: 防止后面的数组越界

f[ i ][ j - vx[ i ] ] != 0 :如果等于零,证明能凑出这个体积的最大质量没有(如果不等于0,证明存在凑出体积为 j - vx[ i ] 的最大质量)

j == vx[ i ] : 就是自己的体积正好是 j ,而凑出体积为0的最大质量就为0

  • 输出不同:

    输出的答案去要取 f[ n ][0 ~ v] 中的最大值,因为不一定最大质量就是占的最大体积。
    

关于恰好等于情况的详细代码(一维数组、二维数组实现)

剩余空间

关键代码

for(int i = 1; i <= n; i++ ){//前i个 
		for(int j = 0; j <= v; j++ ){//此时剩余体积为j 
			f[i][j] = f[i - 1][j];//不选第i个物品
			if(j + vx[i] <= v)//防止越界 
				f[i][j] = max(f[i][j], f[i - 1][j + vx[i]] + m[i]);//为啥是j+vx[i],是因为当选择了第i个商品,
				//此时的剩余体积肯定是减少的,考虑i的体积为2,比如求剩余体积为7的,那么一定是从剩余体积为9变化过来的 
		}
	}
if(j + vx[i] <= v)//防止越界 
	f[i][j] = max(f[i][j], f[i - 1][j + vx[i]] + m[i]);

解释:为啥是 j+vx[i],是因为当选择了第 i 个商品,此时的剩余体积肯定是减少的,设考虑 i 的体积为 2,比如求剩余体积为7的,那么一定是从剩余体积为9变化过来的

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

所以就是剩余空间为7 的时候的最大质量,是由剩余空间为 9 的最大质量加上 第 i 件物品(它的体积是2,重量是m[ i ])

  • 输出:

    输出的答案去要取 f[ n ][0 ~ v] 中的最大值,因为不一定最大质量就是剩有最小体积。
    

关于剩余空间情况的详细代码(一维数组、二维数组实现)

ps:虽然这三种代码实现都差不多,但是想要真正理解01揹包问题的话就还是得把他们区分开来,这要也是考验自己是否真正理解吧

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