Backpack 解题报告 背包问题深入浅出

Backpack

Description

Given n items with size Ai, an integer m denotes the size of a backpack. How full you can fill this backpack?

Example

If we have 4 items with size [2, 3, 5, 7], the backpack size is 11, 
we can select [2, 3, 5], so that the max size we can fill this backpack is 10.
If the backpack size is 12. we can select [2, 3, 7] so that we can fulfill the backpack.

You function should return the max size we can fill in the given backpack.

Challenge

O(n x m) time and O(m) memory.
O(n x m) memory is also acceptable if you do not know how to optimize memory.

实现思路

我们可以建立一个(n+1)*(m+1)的状态数组dp[][],其中n=A.length, dp[i][j]为当背包总重量为j且有前i个物品时，背包最多装满dp[i][j]的空间。
状态转移方程为：dp[i][j] = Math.max(dp[i – 1][j – A[i]] + A[i], dp[i-1][j]);
dp[i – 1][j – A[i]] + A[i]为加入第i个物品后背包的总装满空间。

在进一步分析前，看看下面这个例子：

如果有4个物品[2, 3, 5, 7]，如果背包的大小为11。问最多能装多满？
建动态规划数组 dp[A.length][m + 1]，A.length行，m+1列

1. 为了把第i个物品放进背包，背包当然要先腾出至少A[i]的空间，腾出后空间的最多装满空间为dp[ i - 1][j - A[i]]，再加上第i个物品的空间A[i]，即为当背包总空间为j时，装入第i个物品背包的总装满空间。
   比如当i=1，j=3，为了装上物品A[1]，至少腾出A[1]=3的空间，腾出后空间的最多装满空间为：`dp[i-1][j-A[i]] = dp[0][0] = 0,再加上物品A[1],即为当背包总空间为j时，装入第i个物品背包的总装满空间dp[1][3] = 3.
2. 在1中的例子，dp[1][3]恰好存在3个单位空间可以把A[1]装上，但第i个物品所占的空间可能比此时背包的总空间j要大(j < A[i])，此时装不进第i个物品，因此此时背包的总装满空间为dp[i-1][j]。
   比如表格中的前两列都为0，原因是第i(0,1,2,3)个物品的空间要求都比已有空间j(0,1)大，而当j=2是，i=0物品是能放进去的，但当i=1放不进去，所以取dp[i-1][j]=dp[0][2]=2
3. 需要注意的是，有时候虽然第i个物品能够装入包中，但为了把第i个物品装入而拿出了其他物品，这个时候，我们需要权衡，是拿出物品装入新物品，还是保留原来物品,因为我们要得到最大的空间占有量，我们可以这样取：
   dp[i][j] = Math.max(dp[i-1][j],dp[i-1][j-A[i]] + A[i])
   比如1中的例子，就是dp[0][2] = 2 < dp[0][0] + A[1] = 3,所以dp[1][3] = 3

结合以上过程，我们可以写出下面代码

 /** * @param m: An integer m denotes the size of a backpack * @param A: Given n items with size A[i] * @return: The maximum size */
public int backPack(int m, int[] A) {
    int n = A.length;
    int dp[][] = new int[n+1][m+1];
    for(int i = 0; i < n; i ++){
        for(int j = 0; j <= m ; j ++){
  
  //为了放入第i个物品，找到对于特定空间j的最优放置方案
            if(A[i] > j){
  
  //第i件大小大于当前背包大小
                dp[i+1][j] = dp[i][j];
            }else{
                dp[i+1][j] = Math.max(dp[i][j],dp[i][j-A[i]] + A[i]);//是否为了放置新的而拿出旧的
            }
        }
    }
    return dp[n][m];
}

我们仔细观察，发现下一层的dp只和上一层有关，并且，并且对于每一层，后边的只和前面的有关，即dp[i][j] 只和dp[i-1][0…j]有关。
所以我们完全可以优化dp为一维数组，长度为m，计算时从后面往前算，即取j=m…1，通过dp[0..m-1]求新的dp[m]再通过dp[0…m-2]求新的dp[m-1]直到用dp[0]求dp[1],而dp[0]默认为0，来完成每一层的迭代更新，具体代码如下：

/** * @param m: An integer m denotes the size of a backpack * @param A: Given n items with size A[i] * @return: The maximum size */
public int backPack(int m, int[] A) {
    // write your code here
    int n = A.length;
    int dp[] = new int[m+1];
    for(int i = 0; i < n; i ++){
        for(int j = m; j >= A[i] ; j --){
            dp[j] = Math.max(dp[j],dp[j-A[i]] + A[i]);
        }
    }
    return dp[m];
}

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