mirror of
https://github.com/youngyangyang04/leetcode-master.git
synced 2026-02-02 18:39:09 +08:00
462 lines
15 KiB
Markdown
Executable File
462 lines
15 KiB
Markdown
Executable File
* [做项目（多个C++、Java、Go、测开、前端项目）](https://www.programmercarl.com/other/kstar.html)
|
||
* [刷算法（两个月高强度学算法）](https://www.programmercarl.com/xunlian/xunlianying.html)
|
||
* [背八股（40天挑战高频面试题）](https://www.programmercarl.com/xunlian/bagu.html)
|
||
|
||
# 动态规划：01背包理论基础（滚动数组）
|
||
|
||
本题力扣上没有原题，大家可以去[卡码网第46题](https://kamacoder.com/problempage.php?pid=1046)去练习
|
||
|
||
## 算法公开课
|
||
|
||
**[《代码随想录》算法视频公开课](https://programmercarl.com/other/gongkaike.html)：[带你学透0-1背包问题！（滚动数组）](https://www.bilibili.com/video/BV1BU4y177kY/)，相信结合视频再看本篇题解，更有助于大家对本题的理解**。
|
||
|
||
## 思路
|
||
|
||
昨天[动态规划：关于01背包问题，你该了解这些！](https://programmercarl.com/背包理论基础01背包-1.html)中是用二维dp数组来讲解01背包。
|
||
|
||
今天我们就来说一说滚动数组，其实在前面的题目中我们已经用到过滚动数组了，就是把二维dp降为一维dp，一些录友当时还表示比较困惑。
|
||
|
||
那么我们通过01背包，来彻底讲一讲滚动数组！
|
||
|
||
接下来还是用如下这个例子来进行讲解
|
||
|
||
背包最大重量为4。
|
||
|
||
物品为：
|
||
|
||
| | 重量 | 价值 |
|
||
| --- | --- | --- |
|
||
| 物品0 | 1 | 15 |
|
||
| 物品1 | 3 | 20 |
|
||
| 物品2 | 4 | 30 |
|
||
|
||
问背包能背的物品最大价值是多少？
|
||
|
||
### 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。
|
||
|
||
动规五部曲分析如下：
|
||
|
||
1. 确定dp数组的定义
|
||
|
||
关于dp数组的定义，我在 [01背包理论基础](https://programmercarl.com/背包理论基础01背包-1.html) 有详细讲解
|
||
|
||
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
|
||
|
||
二维dp数组的递推公式为： `dp[i][j] = max(dp[i - 1][j], dp[i - 1][j - weight[i]] + value[i]);`
|
||
|
||
公式是怎么来的 在这里 [01背包理论基础](https://programmercarl.com/背包理论基础01背包-1.html) 有详细讲解。
|
||
|
||
一维dp数组，其实就上上一层 dp[i-1] 这一层 拷贝的 dp[i]来。
|
||
|
||
所以在 上面递推公式的基础上，去掉i这个维度就好。
|
||
|
||
递推公式为：`dp[j] = max(dp[j], dp[j - weight[i]] + value[i]);`
|
||
|
||
以下为分析：
|
||
|
||
dp[j]为 容量为j的背包所背的最大价值。
|
||
|
||
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] = 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
|
||
|
||
**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。
|
||
|
||
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！
|
||
|
||
（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。
|
||
|
||
**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。
|
||
|
||
5. 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：
|
||
|
||
|
||
|
||
|
||
本题力扣上没有原题，大家可以去[卡码网第46题](https://kamacoder.com/problempage.php?pid=1046)去练习，题意是一样的，代码如下：
|
||
|
||
```CPP
|
||
// 一维dp数组实现
|
||
#include <iostream>
|
||
#include <vector>
|
||
using namespace std;
|
||
|
||
int main() {
|
||
// 读取 M 和 N
|
||
int M, N;
|
||
cin >> M >> N;
|
||
|
||
vector<int> costs(M);
|
||
vector<int> values(M);
|
||
|
||
for (int i = 0; i < M; i++) {
|
||
cin >> costs[i];
|
||
}
|
||
for (int j = 0; j < M; j++) {
|
||
cin >> values[j];
|
||
}
|
||
|
||
// 创建一个动态规划数组dp，初始值为0
|
||
vector<int> dp(N + 1, 0);
|
||
|
||
// 外层循环遍历每个类型的研究材料
|
||
for (int i = 0; i < M; ++i) {
|
||
// 内层循环从 N 空间逐渐减少到当前研究材料所占空间
|
||
for (int j = N; j >= costs[i]; --j) {
|
||
// 考虑当前研究材料选择和不选择的情况，选择最大值
|
||
dp[j] = max(dp[j], dp[j - costs[i]] + values[i]);
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
// 输出dp[N]，即在给定 N 行李空间可以携带的研究材料最大价值
|
||
cout << dp[N] << endl;
|
||
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
可以看出，一维dp 的01背包，要比二维简洁的多！ 初始化 和 遍历顺序相对简单了。
|
||
|
||
**所以我倾向于使用一维dp数组的写法，比较直观简洁，而且空间复杂度还降了一个数量级！**
|
||
|
||
**在后面背包问题的讲解中，我都直接使用一维dp数组来进行推导**。
|
||
|
||
## 总结
|
||
|
||
以上的讲解可以开发一道面试题目（毕竟力扣上没原题）。
|
||
|
||
就是本文中的题目，要求先实现一个纯二维的01背包，如果写出来了，然后再问为什么两个for循环的嵌套顺序这么写？反过来写行不行？再讲一讲初始化的逻辑。
|
||
|
||
然后要求实现一个一维数组的01背包，最后再问，一维数组的01背包，两个for循环的顺序反过来写行不行？为什么？
|
||
|
||
注意以上问题都是在候选人把代码写出来的情况下才问的。
|
||
|
||
就是纯01背包的题目，都不用考01背包应用类的题目就可以看出候选人对算法的理解程度了。
|
||
|
||
**相信大家读完这篇文章，应该对以上问题都有了答案！**
|
||
|
||
此时01背包理论基础就讲完了，我用了两篇文章把01背包的dp数组定义、递推公式、初始化、遍历顺序从二维数组到一维数组统统深度剖析了一遍，没有放过任何难点。
|
||
|
||
大家可以发现其实信息量还是挺大的。
|
||
|
||
如果把[动态规划：关于01背包问题，你该了解这些！](https://programmercarl.com/背包理论基础01背包-1.html)和本篇的内容都理解了，后面我们在做01背包的题目，就会发现非常简单了。
|
||
|
||
不用再凭感觉或者记忆去写背包，而是有自己的思考，了解其本质，代码的方方面面都在自己的掌控之中。
|
||
|
||
即使代码没有通过，也会有自己的逻辑去debug，这样就思维清晰了。
|
||
|
||
|
||
## 其他语言版本
|
||
|
||
### Java
|
||
|
||
```java
|
||
import java.util.Scanner;
|
||
|
||
public class Main {
|
||
public static void main(String[] args) {
|
||
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
|
||
|
||
// 读取 M 和 N
|
||
int M = scanner.nextInt(); // 研究材料的数量
|
||
int N = scanner.nextInt(); // 行李空间的大小
|
||
|
||
int[] costs = new int[M]; // 每种材料的空间占用
|
||
int[] values = new int[M]; // 每种材料的价值
|
||
|
||
// 输入每种材料的空间占用
|
||
for (int i = 0; i < M; i++) {
|
||
costs[i] = scanner.nextInt();
|
||
}
|
||
|
||
// 输入每种材料的价值
|
||
for (int j = 0; j < M; j++) {
|
||
values[j] = scanner.nextInt();
|
||
}
|
||
|
||
// 创建一个动态规划数组 dp，初始值为 0
|
||
int[] dp = new int[N + 1];
|
||
|
||
// 外层循环遍历每个类型的研究材料
|
||
for (int i = 0; i < M; i++) {
|
||
// 内层循环从 N 空间逐渐减少到当前研究材料所占空间
|
||
for (int j = N; j >= costs[i]; j--) {
|
||
// 考虑当前研究材料选择和不选择的情况，选择最大值
|
||
dp[j] = Math.max(dp[j], dp[j - costs[i]] + values[i]);
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
// 输出 dp[N]，即在给定 N 行李空间可以携带的研究材料的最大价值
|
||
System.out.println(dp[N]);
|
||
|
||
scanner.close();
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
|
||
|
||
|
||
### Python
|
||
|
||
```python
|
||
n, bagweight = map(int, input().split())
|
||
weight = list(map(int, input().split()))
|
||
value = list(map(int, input().split()))
|
||
|
||
dp = [0] * (bagweight + 1) # 创建一个动态规划数组dp，初始值为0
|
||
|
||
dp[0] = 0 # 初始化dp[0] = 0,背包容量为0，价值最大为0
|
||
|
||
for i in range(n): # 应该先遍历物品，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
|
||
for j in range(bagweight, weight[i]-1, -1): # 倒序遍历背包容量是为了保证物品i只被放入一次
|
||
dp[j] = max(dp[j], dp[j - weight[i]] + value[i])
|
||
|
||
print(dp[bagweight])
|
||
|
||
```
|
||
### Go
|
||
```go
|
||
package main
|
||
|
||
import (
|
||
"fmt"
|
||
)
|
||
|
||
func main() {
|
||
// 读取 M 和 N
|
||
var M, N int
|
||
fmt.Scan(&M, &N)
|
||
|
||
costs := make([]int, M)
|
||
values := make([]int, M)
|
||
|
||
for i := 0; i < M; i++ {
|
||
fmt.Scan(&costs[i])
|
||
}
|
||
for j := 0; j < M; j++ {
|
||
fmt.Scan(&values[j])
|
||
}
|
||
|
||
// 创建一个动态规划数组dp，初始值为0
|
||
dp := make([]int, N + 1)
|
||
|
||
// 外层循环遍历每个类型的研究材料
|
||
for i := 0; i < M; i++ {
|
||
// 内层循环从 N 空间逐渐减少到当前研究材料所占空间
|
||
for j := N; j >= costs[i]; j-- {
|
||
// 考虑当前研究材料选择和不选择的情况，选择最大值
|
||
dp[j] = max(dp[j], dp[j-costs[i]] + values[i])
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
// 输出dp[N]，即在给定 N 行李空间可以携带的研究材料最大价值
|
||
fmt.Println(dp[N])
|
||
}
|
||
|
||
func max(x, y int) int {
|
||
if x > y {
|
||
return x
|
||
}
|
||
return y
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
### JavaScript
|
||
|
||
```js
|
||
const readline = require('readline').createInterface({
|
||
input: process.stdin,
|
||
output: process.stdout
|
||
});
|
||
|
||
let input = [];
|
||
|
||
readline.on('line', (line) => {
|
||
input.push(line);
|
||
});
|
||
|
||
readline.on('close', () => {
|
||
let [n, bagweight] = input[0].split(' ').map(Number);
|
||
let weight = input[1].split(' ').map(Number);
|
||
let value = input[2].split(' ').map(Number);
|
||
|
||
let dp = Array.from({ length: n }, () => Array(bagweight + 1).fill(0));
|
||
|
||
for (let j = weight[0]; j <= bagweight; j++) {
|
||
dp[0][j] = value[0];
|
||
}
|
||
|
||
for (let i = 1; i < n; i++) {
|
||
for (let j = 0; j <= bagweight; j++) {
|
||
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]);
|
||
}
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
console.log(dp[n - 1][bagweight]);
|
||
});
|
||
|
||
|
||
```
|
||
|
||
### C
|
||
```c
|
||
#include <stdio.h>
|
||
#include <stdlib.h>
|
||
|
||
int max(int a, int b) {
|
||
return a > b ? a : b;
|
||
}
|
||
|
||
int main() {
|
||
int n, bagweight;
|
||
scanf("%d %d", &n, &bagweight);
|
||
|
||
int *weight = (int *)malloc(n * sizeof(int));
|
||
int *value = (int *)malloc(n * sizeof(int));
|
||
|
||
for (int i = 0; i < n; ++i) {
|
||
scanf("%d", &weight[i]);
|
||
}
|
||
for (int j = 0; j < n; ++j) {
|
||
scanf("%d", &value[j]);
|
||
}
|
||
|
||
int **dp = (int **)malloc(n * sizeof(int *));
|
||
for (int i = 0; i < n; ++i) {
|
||
dp[i] = (int *)malloc((bagweight + 1) * sizeof(int));
|
||
for (int j = 0; j <= bagweight; ++j) {
|
||
dp[i][j] = 0;
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
for (int j = weight[0]; j <= bagweight; j++) {
|
||
dp[0][j] = value[0];
|
||
}
|
||
|
||
for (int i = 1; i < n; i++) {
|
||
for (int j = 0; j <= bagweight; j++) {
|
||
if (j < weight[i]) {
|
||
dp[i][j] = dp[i - 1][j];
|
||
} else {
|
||
dp[i][j] = max(dp[i - 1][j], dp[i - 1][j - weight[i]] + value[i]);
|
||
}
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
printf("%d\n", dp[n - 1][bagweight]);
|
||
|
||
for (int i = 0; i < n; ++i) {
|
||
free(dp[i]);
|
||
}
|
||
free(dp);
|
||
free(weight);
|
||
free(value);
|
||
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
|