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This commit is contained in:
krahets
@@ -2861,10 +2861,10 @@
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<li class="md-nav__item">
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<a href="#1451" class="md-nav__link">
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14.5.1. 完全背包问题
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14.5.1. 完全背包
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</a>
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<nav class="md-nav" aria-label="14.5.1. 完全背包问题">
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<nav class="md-nav" aria-label="14.5.1. 完全背包">
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<ul class="md-nav__list">
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<li class="md-nav__item">
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@@ -3413,10 +3413,10 @@
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<li class="md-nav__item">
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<a href="#1451" class="md-nav__link">
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14.5.1. 完全背包问题
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14.5.1. 完全背包
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</a>
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<nav class="md-nav" aria-label="14.5.1. 完全背包问题">
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<nav class="md-nav" aria-label="14.5.1. 完全背包">
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<ul class="md-nav__list">
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<li class="md-nav__item">
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@@ -3516,11 +3516,11 @@
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<h1 id="145">14.5. 完全背包问题<a class="headerlink" href="#145" title="Permanent link">¶</a></h1>
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<p>在本节，我们先求解 0-1 背包的一个变种问题：完全背包问题；再了解完全背包的一种特例问题：零钱兑换。</p>
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<h2 id="1451">14.5.1. 完全背包问题<a class="headerlink" href="#1451" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>在本节中，我们先求解另一个常见的背包问题：完全背包，再了解它的一种特例：零钱兑换。</p>
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<h2 id="1451">14.5.1. 完全背包<a class="headerlink" href="#1451" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<div class="admonition question">
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<p class="admonition-title">Question</p>
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<p>给定 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 种物品，第 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 个物品的重量为 <span class="arithmatex">\(wgt[i-1]\)</span> 、价值为 <span class="arithmatex">\(val[i-1]\)</span> ，现在有个容量为 <span class="arithmatex">\(cap\)</span> 的背包，<strong>每种物品可以重复选取</strong>，问在不超过背包容量下背包中物品的最大价值。</p>
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<p>给定 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 个物品，第 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 个物品的重量为 <span class="arithmatex">\(wgt[i-1]\)</span> 、价值为 <span class="arithmatex">\(val[i-1]\)</span> ，和一个容量为 <span class="arithmatex">\(cap\)</span> 的背包。<strong>每个物品可以重复选取</strong>，问在不超过背包容量下能放入物品的最大价值。</p>
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</div>
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<p><img alt="完全背包问题的示例数据" src="../unbounded_knapsack_problem.assets/unbounded_knapsack_example.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 完全背包问题的示例数据 </p>
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@@ -3533,14 +3533,14 @@
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<p>这就导致了状态转移的变化，对于状态 <span class="arithmatex">\([i, c]\)</span> 有：</p>
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<ul>
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<li><strong>不放入物品 <span class="arithmatex">\(i\)</span></strong> ：与 0-1 背包相同，转移至 <span class="arithmatex">\([i-1, c]\)</span> ；</li>
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<li><strong>放入物品 <span class="arithmatex">\(i\)</span></strong> ：状态转移至 <span class="arithmatex">\([i, c-wgt[i-1]]\)</span> 而非 0-1 背包的 <span class="arithmatex">\([i-1, c-wgt[i-1]]\)</span> ；</li>
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<li><strong>放入物品 <span class="arithmatex">\(i\)</span></strong> ：与 0-1 背包不同，转移至 <span class="arithmatex">\([i, c-wgt[i-1]]\)</span> ；</li>
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</ul>
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<p>因此状态转移方程变为：</p>
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<p>从而状态转移方程变为：</p>
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<div class="arithmatex">\[
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dp[i, c] = \max(dp[i-1, c], dp[i, c - wgt[i-1]] + val[i-1])
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\]</div>
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<h3 id="_1">代码实现<a class="headerlink" href="#_1" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>对比两道题目的动态规划代码，状态转移中有一处从 <span class="arithmatex">\(i-1\)</span> 变为 <span class="arithmatex">\(i\)</span> ，其余完全一致。</p>
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<p>对比两道题目的代码，状态转移中有一处从 <span class="arithmatex">\(i-1\)</span> 变为 <span class="arithmatex">\(i\)</span> ，其余完全一致。</p>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="1:11"><input checked="checked" id="__tabbed_1_1" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_2" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_3" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_4" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_5" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_6" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_7" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_8" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_9" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_10" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_11" name="__tabbed_1" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_1_1">Java</label><label for="__tabbed_1_2">C++</label><label for="__tabbed_1_3">Python</label><label for="__tabbed_1_4">Go</label><label for="__tabbed_1_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_1_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_1_7">C</label><label for="__tabbed_1_8">C#</label><label for="__tabbed_1_9">Swift</label><label for="__tabbed_1_10">Zig</label><label for="__tabbed_1_11">Dart</label></div>
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<div class="tabbed-content">
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<div class="tabbed-block">
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@@ -3715,7 +3715,8 @@ dp[i, c] = \max(dp[i-1, c], dp[i, c - wgt[i-1]] + val[i-1])
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</div>
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</div>
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<h3 id="_2">状态压缩<a class="headerlink" href="#_2" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>由于当前状态是从左边和上边的状态转移而来，<strong>因此状态压缩后应该对 <span class="arithmatex">\(dp\)</span> 表中的每一行采取正序遍历</strong>，这个遍历顺序与 0-1 背包正好相反。请通过以下动画来理解为什么要改为正序遍历。</p>
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<p>由于当前状态是从左边和上边的状态转移而来，<strong>因此状态压缩后应该对 <span class="arithmatex">\(dp\)</span> 表中的每一行采取正序遍历</strong>。</p>
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<p>这个遍历顺序与 0-1 背包正好相反。请通过以下动画来理解两者的区别。</p>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="2:6"><input checked="checked" id="__tabbed_2_1" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_2" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_3" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_4" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_5" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_6" name="__tabbed_2" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_2_1"><1></label><label for="__tabbed_2_2"><2></label><label for="__tabbed_2_3"><3></label><label for="__tabbed_2_4"><4></label><label for="__tabbed_2_5"><5></label><label for="__tabbed_2_6"><6></label></div>
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<div class="tabbed-content">
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<div class="tabbed-block">
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@@ -3916,14 +3917,13 @@ dp[i, c] = \max(dp[i-1, c], dp[i, c - wgt[i-1]] + val[i-1])
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<p class="admonition-title">Question</p>
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<p>给定 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 种硬币，第 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 个硬币的面值为 <span class="arithmatex">\(coins[i - 1]\)</span> ，目标金额为 <span class="arithmatex">\(amt\)</span> ，<strong>每种硬币可以重复选取</strong>，问能够凑出目标金额的最少硬币个数。如果无法凑出目标金额则返回 <span class="arithmatex">\(-1\)</span> 。</p>
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</div>
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<p>如下图所示，凑出 <span class="arithmatex">\(11\)</span> 元最少需要 <span class="arithmatex">\(3\)</span> 枚硬币，方案为 <span class="arithmatex">\(1 + 2 + 5 = 11\)</span> 。</p>
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<p><img alt="零钱兑换问题的示例数据" src="../unbounded_knapsack_problem.assets/coin_change_example.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 零钱兑换问题的示例数据 </p>
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<p><strong>零钱兑换问题可以看作是完全背包问题的一种特殊情况</strong>，两者具有以下联系与不同点：</p>
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<p><strong>零钱兑换可以看作是完全背包的一种特殊情况</strong>，两者具有以下联系与不同点：</p>
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<ul>
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<li>两道题可以相互转换，“物品”对应于“硬币”、“物品重量”对应于“硬币面值”、“背包容量”对应于“目标金额”；</li>
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<li>目标不同，背包问题是要最大化物品价值，零钱兑换问题是要最小化硬币数量；</li>
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<li>优化目标相反，背包问题是要最大化物品价值，零钱兑换问题是要最小化硬币数量；</li>
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<li>背包问题是求“不超过”背包容量下的解，零钱兑换是求“恰好”凑到目标金额的解；</li>
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</ul>
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<p><strong>第一步：思考每轮的决策，定义状态，从而得到 <span class="arithmatex">\(dp\)</span> 表</strong></p>
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@@ -3933,17 +3933,18 @@ dp[i, c] = \max(dp[i-1, c], dp[i, c - wgt[i-1]] + val[i-1])
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<p>与完全背包的状态转移方程基本相同，不同点在于：</p>
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<ul>
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<li>本题要求最小值，因此需将运算符 <span class="arithmatex">\(\max()\)</span> 更改为 <span class="arithmatex">\(\min()\)</span> ；</li>
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<li>优化主体是“硬币数量”而非”商品价值“，因此在选中硬币时执行 <span class="arithmatex">\(+1\)</span> 即可；</li>
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<li>优化主体是硬币数量而非商品价值，因此在选中硬币时执行 <span class="arithmatex">\(+1\)</span> 即可；</li>
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</ul>
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<div class="arithmatex">\[
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dp[i, a] = \min(dp[i-1, a], dp[i, a - coins[i-1]] + 1)
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\]</div>
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<p><strong>第三步：确定边界条件和状态转移顺序</strong></p>
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<p>当目标金额为 <span class="arithmatex">\(0\)</span> 时，凑出它的最少硬币个数为 <span class="arithmatex">\(0\)</span> ，即所有 <span class="arithmatex">\(dp[i, 0]\)</span> 都等于 <span class="arithmatex">\(0\)</span> 。当无硬币时，<strong>无法凑出任意 <span class="arithmatex">\(> 0\)</span> 的目标金额</strong>，即是无效解。为使状态转移方程中的 <span class="arithmatex">\(\min()\)</span> 函数能够识别并过滤无效解，我们考虑使用 <span class="arithmatex">\(+ \infty\)</span> 来表示它们，即令所有 <span class="arithmatex">\(dp[0, a]\)</span> 都等于 <span class="arithmatex">\(+ \infty\)</span> 。</p>
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<p>当目标金额为 <span class="arithmatex">\(0\)</span> 时，凑出它的最少硬币个数为 <span class="arithmatex">\(0\)</span> ，即首列所有 <span class="arithmatex">\(dp[i, 0]\)</span> 都等于 <span class="arithmatex">\(0\)</span> 。</p>
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<p>当无硬币时，<strong>无法凑出任意 <span class="arithmatex">\(> 0\)</span> 的目标金额</strong>，即是无效解。为使状态转移方程中的 <span class="arithmatex">\(\min()\)</span> 函数能够识别并过滤无效解，我们考虑使用 <span class="arithmatex">\(+ \infty\)</span> 来表示它们，即令首行所有 <span class="arithmatex">\(dp[0, a]\)</span> 都等于 <span class="arithmatex">\(+ \infty\)</span> 。</p>
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<h3 id="_3">代码实现<a class="headerlink" href="#_3" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>然而，大多数编程语言并未提供 <span class="arithmatex">\(+ \infty\)</span> 变量，因此只能使用整型 <code>int</code> 的最大值来代替，而这又会导致大数越界：<strong>当 <span class="arithmatex">\(dp[i, a - coins[i-1]]\)</span> 是无效解时，再执行 <span class="arithmatex">\(+ 1\)</span> 操作会发生溢出</strong>。</p>
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<p>为解决该问题，我们采用一个不可能达到的大数字 <span class="arithmatex">\(amt + 1\)</span> 来表示无效解，因为凑出 <span class="arithmatex">\(amt\)</span> 的硬币个数最多为 <span class="arithmatex">\(amt\)</span> 个。</p>
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<p>在最后返回前，判断 <span class="arithmatex">\(dp[n, amt]\)</span> 是否等于 <span class="arithmatex">\(amt + 1\)</span> ，若是则返回 <span class="arithmatex">\(-1\)</span> ，代表无法凑出目标金额。</p>
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<p>大多数编程语言并未提供 <span class="arithmatex">\(+ \infty\)</span> 变量，只能使用整型 <code>int</code> 的最大值来代替。而这又会导致大数越界：状态转移方程中的 <span class="arithmatex">\(+ 1\)</span> 操作可能发生溢出。</p>
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<p>为此，我们采用数字 <span class="arithmatex">\(amt + 1\)</span> 来表示无效解，因为凑出 <span class="arithmatex">\(amt\)</span> 的硬币个数最多为 <span class="arithmatex">\(amt\)</span> 个。</p>
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<p>最后返回前，判断 <span class="arithmatex">\(dp[n, amt]\)</span> 是否等于 <span class="arithmatex">\(amt + 1\)</span> ，若是则返回 <span class="arithmatex">\(-1\)</span> ，代表无法凑出目标金额。</p>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="4:11"><input checked="checked" id="__tabbed_4_1" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_2" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_3" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_4" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_5" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_6" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_7" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_8" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_9" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_10" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_11" name="__tabbed_4" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_4_1">Java</label><label for="__tabbed_4_2">C++</label><label for="__tabbed_4_3">Python</label><label for="__tabbed_4_4">Go</label><label for="__tabbed_4_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_4_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_4_7">C</label><label for="__tabbed_4_8">C#</label><label for="__tabbed_4_9">Swift</label><label for="__tabbed_4_10">Zig</label><label for="__tabbed_4_11">Dart</label></div>
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<div class="tabbed-content">
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<div class="tabbed-block">
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@@ -4158,7 +4159,7 @@ dp[i, a] = \min(dp[i-1, a], dp[i, a - coins[i-1]] + 1)
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</div>
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</div>
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</div>
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<p>下图展示了零钱兑换的动态规划过程。</p>
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<p>下图展示了零钱兑换的动态规划过程，和完全背包非常相似。</p>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="5:15"><input checked="checked" id="__tabbed_5_1" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_2" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_3" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_4" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_5" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_6" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_7" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_8" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_9" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_10" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_11" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_12" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_13" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_14" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_15" name="__tabbed_5" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_5_1"><1></label><label for="__tabbed_5_2"><2></label><label for="__tabbed_5_3"><3></label><label for="__tabbed_5_4"><4></label><label for="__tabbed_5_5"><5></label><label for="__tabbed_5_6"><6></label><label for="__tabbed_5_7"><7></label><label for="__tabbed_5_8"><8></label><label for="__tabbed_5_9"><9></label><label for="__tabbed_5_10"><10></label><label for="__tabbed_5_11"><11></label><label for="__tabbed_5_12"><12></label><label for="__tabbed_5_13"><13></label><label for="__tabbed_5_14"><14></label><label for="__tabbed_5_15"><15></label></div>
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<div class="tabbed-content">
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<div class="tabbed-block">
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@@ -4209,7 +4210,7 @@ dp[i, a] = \min(dp[i-1, a], dp[i, a - coins[i-1]] + 1)
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</div>
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</div>
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<h3 id="_4">状态压缩<a class="headerlink" href="#_4" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>由于零钱兑换和完全背包的状态转移方程如出一辙，因此状态压缩方式也相同。</p>
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<p>零钱兑换的状态压缩的处理方式和完全背包一致。</p>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="6:11"><input checked="checked" id="__tabbed_6_1" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_2" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_3" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_4" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_5" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_6" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_7" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_8" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_9" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_10" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_11" name="__tabbed_6" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_6_1">Java</label><label for="__tabbed_6_2">C++</label><label for="__tabbed_6_3">Python</label><label for="__tabbed_6_4">Go</label><label for="__tabbed_6_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_6_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_6_7">C</label><label for="__tabbed_6_8">C#</label><label for="__tabbed_6_9">Swift</label><label for="__tabbed_6_10">Zig</label><label for="__tabbed_6_11">Dart</label></div>
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<div class="tabbed-content">
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<div class="tabbed-block">
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@@ -4421,7 +4422,7 @@ dp[i, a] = \min(dp[i-1, a], dp[i, a - coins[i-1]] + 1)
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<div class="arithmatex">\[
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dp[i, a] = dp[i-1, a] + dp[i, a - coins[i-1]]
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\]</div>
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<p>当目标金额为 <span class="arithmatex">\(0\)</span> 时，无需选择任何硬币即可凑出目标金额，因此应将所有 <span class="arithmatex">\(dp[i, 0]\)</span> 都初始化为 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 。当无硬币时，无法凑出任何 <span class="arithmatex">\(>0\)</span> 的目标金额，因此所有 <span class="arithmatex">\(dp[0, a]\)</span> 都等于 <span class="arithmatex">\(0\)</span> 。</p>
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||||
<p>当目标金额为 <span class="arithmatex">\(0\)</span> 时，无需选择任何硬币即可凑出目标金额，因此应将首列所有 <span class="arithmatex">\(dp[i, 0]\)</span> 都初始化为 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 。当无硬币时，无法凑出任何 <span class="arithmatex">\(>0\)</span> 的目标金额，因此首行所有 <span class="arithmatex">\(dp[0, a]\)</span> 都等于 <span class="arithmatex">\(0\)</span> 。</p>
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<h3 id="_5">代码实现<a class="headerlink" href="#_5" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="7:11"><input checked="checked" id="__tabbed_7_1" name="__tabbed_7" type="radio" /><input id="__tabbed_7_2" name="__tabbed_7" type="radio" /><input id="__tabbed_7_3" name="__tabbed_7" type="radio" /><input id="__tabbed_7_4" name="__tabbed_7" type="radio" /><input id="__tabbed_7_5" name="__tabbed_7" type="radio" /><input id="__tabbed_7_6" name="__tabbed_7" type="radio" /><input id="__tabbed_7_7" name="__tabbed_7" type="radio" /><input id="__tabbed_7_8" name="__tabbed_7" type="radio" /><input id="__tabbed_7_9" name="__tabbed_7" type="radio" /><input id="__tabbed_7_10" name="__tabbed_7" type="radio" /><input id="__tabbed_7_11" name="__tabbed_7" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_7_1">Java</label><label for="__tabbed_7_2">C++</label><label for="__tabbed_7_3">Python</label><label for="__tabbed_7_4">Go</label><label for="__tabbed_7_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_7_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_7_7">C</label><label for="__tabbed_7_8">C#</label><label for="__tabbed_7_9">Swift</label><label for="__tabbed_7_10">Zig</label><label for="__tabbed_7_11">Dart</label></div>
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<div class="tabbed-content">
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