每周一算法:背包问题(二)完全背包
完全背包
有 N N N件物品和一个容量是 M M M的背包。每种物品都有无限件可用。第 i i i件物品的体积是 v i v_i vi,价值是 w i w_i wi。
求解将哪些物品装入背包,可使这些物品的总体积不超过背包容量,且总价值最大。
输出最大价值。
输入格式
第一行两个整数, N N N, M M M,用空格隔开,分别表示物品数量和背包容积。
接下来有 N N N 行,每行两个整数 v i v_i vi, w i w_i wi,用空格隔开,分别表示第 i i 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。
样例 #1
样例输入 #1
4 5
1 2
2 4
3 4
4 5
样例输出 #1
10
提示
0 < N , M ≤ 1000 0<N,M≤1000 0<N,M≤1000
0 < v i , w i ≤ 1000 0<v_i,w_i≤1000 0<vi,wi≤1000
算法思想
状态表示
完全背包的特点是每种物品都有无限件可用。仍可以采用01背包的思想,将处理每种物品作为一个阶段,考虑在不同背包容量情况下的最大价值,将其状态定义为 f [ i ] [ j ] f[i][j] f[i][j],表示对于前 i i i种物品,在背包容量为 j j j的情况下,背包获得的最大价值。
状态计算
在当前阶段,对于第 i i i种物品来说,有多种情况可以选择:
- 放入 0 0 0件,此时的最大价值为前 i − 1 i-1 i−1种物品,在背包容量为 j j j的情况下的最大价值 f [ i − 1 ] [ j ] f[i-1][j] f[i−1][j]。
- 放入 1 1 1件,此时背包的最大价值为前 i − 1 i-1 i−1种物品,在背包容量为 j − v i j-v_i j−vi的情况下的最大价值 f [ i − 1 ] [ j − v i ] + w i f[i-1][j-v_i]+w_i f[i−1][j−vi]+wi
- 放入 2 2 2件,此时背包的最大价值为前 i − 1 i-1 i−1种物品,在背包容量为 j − 2 × v i j-2\times v_i j−2×vi的情况下的最大价值 f [ i − 1 ] [ j − 2 × v i ] + 2 × w i f[i-1][j-2\times v_i]+2\times w_i f[i−1][j−2×vi]+2×wi
- …
- 放入 k k k件,此时背包的最大价值为前 i − 1 i-1 i−1种物品,在背包容量为 j − k × v i j-k\times v_i j−k×vi的情况下的最大价值 f [ i − 1 ] [ j − k × v i ] + k × w i f[i-1][j-k\times v_i]+k\times w_i f[i−1][j−k×vi]+k×wi
以上情况的前提是背包能够装得下 k k k件第 i i i种物品,也就是背包容量 j ≥ k × v i j\ge k\times v_i j≥k×vi。那么, f [ i ] [ j ] f[i][j] f[i][j]应该选择所有情况的最大值,即 f [ i ] [ j ] = max { f [ i − 1 ] [ j − k × v i ] + k × w i } f[i][j] = \max\{f[i-1][j-k\times v_i]+k\times w_i\} f[i][j]=max{f[i−1][j−k×vi]+k×wi},其中 0 ≤ k 0\le k 0≤k,并且 k × v i ≤ j k\times v_i \le j k×vi≤j。
初始状态
f [ 0 ] [ 0 ] f[0][0] f[0][0]表示将前 0 0 0种物品装入容量为 0 0 0的背包中的产生的最大价值为 0 0 0。
时间复杂度
- 状态数 n × m n\times m n×m
- 状态计算时需要枚举第 i i i件物品的数量 k k k,时间复杂度为 O ( m / v ) O(m/v) O(m/v)
总的时间复杂的为 O ( n × m 2 / v ) O(n\times m^2/v) O(n×m2/v)。
代码实现
#include <iostream>
using namespace std;
const int N = 1010, M = 1010;
int f[N][N];
int main(){
int n, m;
cin >> n >> m;
for(int i = 1; i <= n; i++)
{
int v, w;
cin >> v >> w;
for(int j = 0; j <= m; j++)
{
for(int k = 0; k * v <= j; k++)
{
f[i][j] = max(f[i][j], f[i - 1][j - k * v] + k * w);
}
}
}
cout<<f[n][m]<<endl;
return 0;
}
时空优化
根据上述状态转移方程,考虑能否直接用一维数组计算状态?
由 f [ i ] [ j ] = max { f [ i − 1 ] [ j ] , f [ i − 1 ] [ j − v ] + w , f [ i − 1 ] [ j − 2 × v ] + 2 × w + . . . + f [ i − 1 ] [ j − k × v ] + k × w } f[i][j] = \max\{f[i-1][j], f[i-1][j-v]+w, f[i-1][j-2\times v]+2\times w+...+f[i-1][j-k\times v]+k\times w\} f[i][j]=max{f[i−1][j],f[i−1][j−v]+w,f[i−1][j−2×v]+2×w+...+f[i−1][j−k×v]+k×w}
可得, f [ i ] [ j − v ] = max { f [ i − 1 ] [ j − v ] , f [ i − 1 ] [ j − 2 × v ] + w , f [ i − 1 ] [ j − 3 × v ] + 2 × w + . . . + f [ i − 1 ] [ j − k × v ] + k × w } f[i][j - v] = \max\{f[i-1][j - v], f[i-1][j-2\times v]+w, f[i-1][j-3\times v]+2\times w+...+f[i-1][j-k\times v]+k\times w\} f[i][j−v]=max{f[i−1][j−v],f[i−1][j−2×v]+w,f[i−1][j−3×v]+2×w+...+f[i−1][j−k×v]+k×w},
也就是说, f [ i ] [ j ] = max { f [ i − 1 ] [ j ] , f [ i ] [ j − v ] + w } f[i][j] = \max\{f[i-1][j], f[i][j−v]+w\} f[i][j]=max{f[i−1][j],f[i][j−v]+w}, f [ i ] [ j ] f[i][j] f[i][j]除了跟 f [ i − 1 ] [ j ] f[i-1][j] f[i−1][j]有关,只与 f [ i ] [ j − v ] + w f[i][j−v]+w f[i][j−v]+w有关。
此时将状态表示的二维数组压缩为一维后, f [ j ] = max { f [ j ] , f [ j − v ] + w } f[j] = \max\{f[j], f[j−v]+w\} f[j]=max{f[j],f[j−v]+w}。需要注意的是,这里 f [ j − v ] f[j−v] f[j−v]是 i i i阶段的状态,由于 j − v ≤ v j-v\le v j−v≤v,因此只需要从小到大枚举背包容量,就可以保证使用 i i i阶段的状态 f [ j − v ] ,来 f[j-v],来 f[j−v],来计算 f [ j ] f[j] f[j]的最大值。这样不但可以将状态的二维数组优化为一维,也无需枚举第 i i i种物品的数量。
时间复杂度
- 状态数 n × m n\times m n×m
- 状态计算时间复杂度为 O ( 1 ) O(1) O(1)
总的时间复杂的为 ( n × m ) (n\times m) (n×m)
代码实现
#include <iostream>
using namespace std;
const int M = 1010;
int f[M];
int main()
{
int n, m;
cin >> n >> m;
for(int i = 1; i <= n; i ++)
{
int v, w;
cin >> v >> w;
for(int j = v; j <= m; j ++)
{
f[j] = max(f[j], f[j - v] + w);
}
}
cout << f[m];
return 0;
}
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