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①牛客DP42 【模板】完全背包
问题一解析
状态表示: dp[i][j] 表示:从前 i 个物品中挑选,总体积不超过 j ,所有的选法中,能挑选出来的最大价值。(这里和 01背包一样)
状态转移方程:
线性 dp 状态转移方程分析方式,一般都是根据最后一步的状况,来分情况讨论。但是最后一个物品能选很多个,因此需要分很多情况:
- 选 0 个第 i 个物品:此时相当于就是去前 i - 1 个物品中挑选,总体积不超过 j 。此时最大价值为 dp[i - 1][j] ;
- 选 1 个第 i 个物品:此时相当于就是去前 i - 1 个物品中挑选,总体积不超过 j -v[i] 。因为挑选了一个 i 物品,此时最大价值为 dp[i - 1][j - v[i]] +w[i] ;
- 选 2 个第 i 个物品:此时相当于就是去前 i - 1 个物品中挑选,总体积不超过 j- 2 * v[i] 。因为挑选了两个 i 物品,此时最大价值为 dp[i - 1][j - 2 * v[i]] + 2 * w[i] ;
- ......
综上,状态转移方程为:
dp[i][j]=max(dp[i - 1][j], dp[i - 1][j - v[i]] + w[i], dp[i - 1][j - 2*v[i]]+2*w[i] ......)
这时发现,计算一个状态的时候,需要一个循环才能搞定的时候,我们要想到去优化。优化的方向就是用一个或者两个状态来表示这一堆的状态,通常就是用数学的方式做一下等价替换。
发现第二维是有规律的变化的,因此去看看 dp[i][j - v[i]] 这个状态: dp[i][j - v[i]]=max(dp[i - 1][j - v[i]],dp[i - 1][j - 2*v[i]]+w[i],dp[i - 1] [j - 3*v[i]]+2*w[i] ......)
发现,把 dp[i][j - v[i]] 加上 w[i] 正好和 dp[i][j] 中除了第一项以外的全部一致,因此可以修改我们的状态转移方程为: dp[i][j] = max(dp[i - 1][j], dp[i][j - v[i]] + w[i]) 。(j >= v[i])
初始化: 多加一行,方便初始化,此时仅需将第一行初始化为 0 即可。因为什么也不选,也能满足体积不小于 j 的情况,此时的价值为 0 。
填表顺序: 根据状态转移方程,仅需从上往下填表。
返回值: 根据状态表示,返回 dp[n][V] 。
问题二解析
和01背包模板的问题一转换成问题二类似。第二问仅需微调一下 dp 过程的五步即可。 因为有可能凑不齐 j 体积的物品,因此把不合法的状态设置为 -1 。
状态表示: dp[i][j] 表示:从前 i 个物品中挑选,总体积正好等于 j ,所有的选法中,能挑选出来的最大价值。
状态转移方程:
线性 dp 状态转移方程分析方式,一般都是根据最后一步的状况,来分情况讨论。但是最后一个物品能选很多个,因此需要分很多情况:
- 选 0 个第 i 个物品:此时相当于就是去前 i - 1 个物品中挑选,总体积不超过 j 。此时最大价值为 dp[i - 1][j] ;
- 选 1 个第 i 个物品:此时相当于就是去前 i - 1 个物品中挑选,总体积不超过 j -v[i] 。因为挑选了一个 i 物品,此时最大价值为 dp[i - 1][j - v[i]] +w[i] ;
- 选 2 个第 i 个物品:此时相当于就是去前 i - 1 个物品中挑选,总体积不超过 j- 2 * v[i] 。因为挑选了两个 i 物品,此时最大价值为 dp[i - 1][j - 2 * v[i]] + 2 * w[i] ;
- ......
综上,状态转移方程为:
dp[i][j]=max(dp[i - 1][j], dp[i - 1][j - v[i]] + w[i], dp[i - 1][j - 2*v[i]]+2*w[i] ......)
这时发现,计算一个状态的时候,需要一个循环才能搞定的时候,我们要想到去优化。优化的方向就是用一个或者两个状态来表示这一堆的状态,通常就是用数学的方式做一下等价替换。
发现第二维是有规律的变化的,因此去看看 dp[i][j - v[i]] 这个状态: dp[i][j - v[i]]=max(dp[i - 1][j - v[i]],dp[i - 1][j - 2*v[i]]+w[i],dp[i - 1] [j - 3*v[i]]+2*w[i] ......)
发现,把 dp[i][j - v[i]] 加上 w[i] 正好和 dp[i][j] 中除了第一项以外的全部一致,因此可以修改我们的状态转移方程为: dp[i][j] = max(dp[i - 1][j], dp[i][j - v[i]] + w[i]) 。(j >= v[i] , dp[i][j - v[i]] != -1 。)
初始化: 多加一行,方便初始化,第一个格子为 0 ,因为正好能凑齐体积为 0 的背包,但是第一行后面的格子都是 -1 ,因为没有物品,无法满足体积大于 0 的情况。
填表顺序: 根据状态转移方程,仅需从上往下填表。
返回值: 根据状态表示,返回 dp[n][V] 。由于最后可能凑不成体积为 V 的情况,因此返回之前需要特判一下。
解析代码
#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;
const int N = 1010;
int n = 0, V = 0;
int v[N], w[N], dp[N][N];
int main()
{
// dp[i][j] 表示:从前 i 个物品中挑选,总体积不超过 j ,所有的选法中,能挑选出来的最大价值
cin >> n >> V;
for(int i = 1; i <= n; i++)
{
cin >> v[i] >> w[i];
}
for(int i = 1; i <= n; ++i) // 第一问
{
for(int j = 1; j <= V; ++j)
{
dp[i][j] = dp[i - 1][j];
if(j >= v[i])
dp[i][j] = max(dp[i - 1][j], dp[i][j - v[i]] + w[i]);
}
}
cout << dp[n][V] << endl;
memset(dp, 0, sizeof(dp)); // 第二问
for(int j = 1; j <= V; j++)
{
dp[0][j] = -1;
}
for(int i = 1; i <= n; ++i)
{
for(int j = 1; j <= V; ++j)
{
dp[i][j] = dp[i - 1][j];
if(j >= v[i] && dp[i][j - v[i]] != -1)
dp[i][j] = max(dp[i - 1][j], dp[i][j - v[i]] + w[i]);
}
}
cout << (dp[n][V] == -1 ? 0 : dp[n][V]) << endl;
return 0;
}
优化代码(滚动数组)
背包问题基本上都是利用滚动数组来做空间上的优化:
- 利用滚动数组优化。
- 直接在原始代码上修改。
在完全背包问题中,优化的结果为:
- 仅需删掉所有的横坐标。
(填一行数组的值的时候要用到前面新填的值,所以依旧是从左往右遍历,01背包是从右往左)
#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;
const int N = 1010;
int n = 0, V = 0;
int v[N], w[N], dp[N]; // 滚动数组优化,删掉dp表的一维
int main()
{
// dp[i][j] 表示:从前 i 个物品中挑选,总体积不超过 j ,所有的选法中,能挑选出来的最大价值
cin >> n >> V;
for(int i = 1; i <= n; i++)
{
cin >> v[i] >> w[i];
}
for(int i = 1; i <= n; ++i) // 第一问
{
for(int j = v[i]; j <= V; ++j)
{
// if(j >= v[i]) // 滚动数组优化,从v[i]开始遍历,就不用判断
dp[j] = max(dp[j], dp[j - v[i]] + w[i]);
}
}
cout << dp[V] << endl;
memset(dp, 0, sizeof(dp)); // 第二问
for(int j = 1; j <= V; j++)
{
dp[j] = -1;
}
for(int i = 1; i <= n; ++i)
{
for(int j = v[i]; j <= V; ++j)
{
if(dp[j - v[i]] != -1)
dp[j] = max(dp[j], dp[j - v[i]] + w[i]);
}
}
cout << (dp[V] == -1 ? 0 : dp[V]) << endl;
return 0;
}
②力扣322. 零钱兑换
难度 中等
给你一个整数数组 coins
,表示不同面额的硬币;以及一个整数 amount
,表示总金额。
计算并返回可以凑成总金额所需的 最少的硬币个数 。如果没有任何一种硬币组合能组成总金额,返回 -1
。
你可以认为每种硬币的数量是无限的。
示例 1:
输入:coins = [1, 2, 5], amount = 11 输出:3 解释:11 = 5 + 5 + 1
示例 2:
输入:coins = [2], amount = 3 输出:-1
示例 3:
输入:coins = [1], amount = 0 输出:0
提示:
1 <= coins.length <= 12
1 <= coins[i] <= 2^31 - 1
0 <= amount <= 10^4
class Solution {
public:
int coinChange(vector<int>& coins, int amount) {
}
};
问题解析
先看能不能将问题转化成我们熟悉的题型。
- 在一些物品中挑选一些出来,然后在满足某个限定条件下,解决一些问题,大概率是背包模型;
- 由于每一个物品都是无限多个的,因此是一个完全背包问题。接下来的分析就是基于完全背包的方式来
状态表示: dp[i][j] 表示:从前 i 个硬币中挑选,总和正好等于 j ,所有的选法中,最少的硬币个 数。
状态转移方程:
线性 dp 状态转移方程分析方式,一般都是根据最后一步的状况,来分情况讨论。但是最后一个物品能选很多个,因此需要分很多情况:
- 选 0 个第 i 个硬币:此时相当于就是去前 i - 1 个硬币中挑选,总和正好等于 j 。 此时最少的硬币个数为 dp[i - 1][j]
- 选 1 个第 i 个硬币:此时相当于就是去前 i - 1 个硬币中挑选,总和正好等于 j - v[i] 。因为挑选了一个 i 硬币,此时最少的硬币个数为 dp[i - 1][j - coins[i]] + 1 ;
- 选 2 个第 i 个硬币:此时相当于就是去前 i - 1 个硬币中挑选,总和正好等于 j - 2 * coins 。因为挑选了两个 i 硬币,此时最少的硬币个数为 dp[i - 1][j - 2 * coins[i]] + 2 ;
- ......
综上,状态转移方程为:
dp[i][j]=min(dp[i - 1][j], dp[i - 1][j - coins[i]] + 1, dp[i - 1][j - 2*coins[i]] + 2 ......)
这时发现,计算一个状态的时候,需要一个循环才能搞定的时候,我们要想到去优化。优化的方向就是用一个或者两个状态来表示这一堆的状态,通常就是用数学的方式做一下等价替换。
发现第二维是有规律的变化的,因此去看看 dp[i][j - v[i]] 这个状态: dp[i][j - v[i]]=min(dp[i - 1][j - coins[i]] + 1,dp[i - 1][j - 2*coins[i]]] + 2,dp[i - 1] [j - 3*coins[i]] + 3......)
因此可以修改我们的状态转移方程为: dp[i][j] = min(dp[i - 1][j], dp[i][j - coins[i]] + 1) 。(j >= coins[i] , dp[i][j - coins[i]] 存在 。)(如果初始化多开一行一列,找coins数组要减一)
有个技巧,就是相当于把第二种情况 dp[i - 1][j - coins[i]] + 1 ⾥ ⾯的 i - 1 变成 i 即可。
初始化: dp[0[0]为0,初始化第一行即可。 这里因为取 min ,所以可以把无效的地方设置成无穷大 (0x3f3f3f3f) 因为这里要求正好凑成总和为 j ,因此,需要把第一行除了第一个位置的元素,都设置成无穷大。
填表顺序: 根据状态转移方程,仅需从上往下填表。
返回值: 根据状态表示,返回 dp[n][amount] 。由于最后可能凑不成总数为 amount 的情况,因此返回之前需要特判一下。
解析代码
class Solution {
public:
int coinChange(vector<int>& coins, int amount) {
const int INF = 0x3f3f3f3f; // 无穷大的一半
int n = coins.size();
vector<vector<int>> dp(n + 1, vector<int>(amount + 1, INF));
// dp[i][j]表示:从前i个硬币中挑选,总和正好等于j,所有的选法中,最少的硬币个数
dp[0][0] = 0;
for(int i = 1; i <= n; ++i)
{
for(int j = 0; j <= amount; ++j)
{
dp[i][j] = dp[i - 1][j];
if(j >= coins[i - 1])
dp[i][j] = min(dp[i - 1][j], dp[i][j - coins[i - 1]] + 1);
}
}
return dp[n][amount] >= INF ? -1 : dp[n][amount];
}
};
优化代码(滚动数组)
背包问题基本上都是利用滚动数组来做空间上的优化:
- 利用滚动数组优化。
- 直接在原始代码上修改。
在完全背包问题中,优化的结果为:
- 仅需删掉所有的横坐标。
(填一行数组的值的时候要用到前面新填的值,所以依旧是从左往右遍历,01背包是从右往左)
class Solution {
public:
int coinChange(vector<int>& coins, int amount) {
const int INF = 0x3f3f3f3f; // 无穷大的一半
int n = coins.size();
vector<int> dp(amount + 1, INF);
dp[0] = 0;
for(int i = 1; i <= n; ++i)
{
for(int j = coins[i - 1]; j <= amount; ++j)
{
dp[j] = min(dp[j], dp[j - coins[i - 1]] + 1);
}
}
return dp[amount] >= INF ? -1 : dp[amount];
}
};
③力扣518. 零钱兑换 II
难度 中等
给你一个整数数组 coins
表示不同面额的硬币,另给一个整数 amount
表示总金额。
请你计算并返回可以凑成总金额的硬币组合数。如果任何硬币组合都无法凑出总金额,返回 0
。
假设每一种面额的硬币有无限个。
题目数据保证结果符合 32 位带符号整数。
示例 1:
输入:amount = 5, coins = [1, 2, 5] 输出:4 解释:有四种方式可以凑成总金额: 5=5 5=2+2+1 5=2+1+1+1 5=1+1+1+1+1
示例 2:
输入:amount = 3, coins = [2] 输出:0 解释:只用面额 2 的硬币不能凑成总金额 3 。
示例 3:
输入:amount = 10, coins = [10] 输出:1
提示:
1 <= coins.length <= 300
1 <= coins[i] <= 5000
coins
中的所有值 互不相同0 <= amount <= 5000
class Solution {
public:
int change(int amount, vector<int>& coins) {
}
};
问题解析
先看能不能将问题转化成我们熟悉的题型。
- 在一些物品中挑选一些出来,然后在满足某个限定条件下,解决一些问题,大概率是背包模型
- 由于每一个物品都是无限多个的,因此是一个完全背包问题。接下来的分析就是基于完全背包的方式来
状态表示: dp[i][j] 表示:从前 i 个硬币中挑选,总和正好等于 j ,一共有多少种选法。
状态转移方程:
线性 dp 状态转移方程分析方式,一般都是根据最后一步的状况,来分情况讨论。但是最后一个物品能选很多个,因此需要分很多情况:
- 选 0 个第 i 个硬币:此时相当于就是去前 i - 1 个硬币中挑选,总和正好等于 j 。 此时最少的硬币个数为 dp[i - 1][j]
- 选 1 个第 i 个硬币:此时相当于就是去前 i - 1 个硬币中挑选,总和正好等于 j - v[i] 。因为挑选了一个 i 硬币,此时最少的硬币个数为 dp[i - 1][j - coins[i]] + 1 ;
- 选 2 个第 i 个硬币:此时相当于就是去前 i - 1 个硬币中挑选,总和正好等于 j - 2 * coins 。因为挑选了两个 i 硬币,此时最少的硬币个数为 dp[i - 1][j - 2 * coins[i]] + 2 ;
- ......
综上,状态转移方程为:
dp[i][j] = dp[i - 1][j] + dp[i - 1][j - coins[i]] + 1 + dp[i - 1][j - 2*coins[i]] + 2 + ......
这时发现,计算一个状态的时候,需要一个循环才能搞定的时候,我们要想到去优化。优化的方向就是用一个或者两个状态来表示这一堆的状态,通常就是用数学的方式做一下等价替换。
发现第二维是有规律的变化的,因此去看看 dp[i][j - v[i]] 这个状态: dp[i][j - v[i]] = dp[i - 1][j - coins[i]] + 1 + dp[i - 1][j - 2*coins[i]]] + 2 + dp[i - 1] [j - 3*coins[i]] + 3 + ......
因此可以修改我们的状态转移方程为: dp[i][j] = dp[i - 1][j] + dp[i][j - coins[i]] + 1)。(j >= coins[i] , dp[i][j - coins[i]] 存在 。)(如果初始化多开一行一列,找coins数组要减一)
有个技巧,就是相当于把第二种情况 dp[i - 1][j - coins[i]] + 1 里面的 i - 1 变成 i 即可。
初始化: dp[0[0]为0,初始化第一行即可。第一行表示没有物品,没有物品正好能凑能和为 0 的情况。因此 dp[0][0] = 1 ,其余位置都是 0 种情况。
填表顺序: 根据状态转移方程,仅需从上往下填表。
返回值: 根据状态表示,返回 dp[n][amount] 。
解析代码
class Solution {
public:
int change(int amount, vector<int>& coins) {
// dp[i][j]表示:从前i个硬币中挑选,总和正好等于j ,一共有多少种选法
int n = coins.size();
vector<vector<int>> dp(n + 1, vector<int>(amount + 1, 0));
dp[0][0] = 1;
for(int i = 1; i <= n; ++i)
{
for(int j = 0; j <= amount; ++j)
{
dp[i][j] = dp[i - 1][j];
if(j >= coins[i - 1])
dp[i][j] = dp[i - 1][j] + dp[i][j - coins[i - 1]];
}
}
return dp[n][amount];
}
};
优化代码(滚动数组)
背包问题基本上都是利用滚动数组来做空间上的优化:
- 利用滚动数组优化。
- 直接在原始代码上修改。
在完全背包问题中,优化的结果为:
- 仅需删掉所有的横坐标。
(填一行数组的值的时候要用到前面新填的值,所以依旧是从左往右遍历,01背包是从右往左)
class Solution {
public:
int change(int amount, vector<int>& coins) {
int n = coins.size();
vector<int> dp(amount + 1, 0); // 滚动数组优化
dp[0] = 1;
for(int i = 1; i <= n; ++i)
{
for(int j = coins[i - 1]; j <= amount; ++j)
{
dp[j] = dp[j] + dp[j - coins[i - 1]];
}
}
return dp[amount];
}
};
④力扣279. 完全平方数
难度 中等
给你一个整数 n
,返回 和为 n
的完全平方数的最少数量 。
完全平方数 是一个整数,其值等于另一个整数的平方;换句话说,其值等于一个整数自乘的积。例如,1
、4
、9
和 16
都是完全平方数,而 3
和 11
不是。
示例 1:
输入:n = 12 输出:3 解释:12 = 4 + 4 + 4
示例 2:
输入:n = 13 输出:2 解释:13 = 4 + 9
提示:
1 <= n <= 10^4
class Solution {
public:
int numSquares(int n) {
}
};
问题解析
(优化代码部分放了分析一维空间的思路,这个普通思路就简单描述了)
状态表示: dp[i][j] 表示:从前i个完全平方数中挑选,总和正好等于j,所有选法中最小的数量。
状态转移方程:
线性 dp 状态转移方程分析方式,一般都是根据最后一步的状况,来分情况讨论。但是最后一个物品能选很多个,因此需要分很多情况:
- 选 0 个i * i:dp[i][j] = dp[i - 1][j]
- 选 1 个i * i:dp[i][j] = dp[i - 1][j - i * i] + 1 ;
- 选 2 个i * i:dp[i][j] = dp[i - 1][j - 2 * i * i] + 2 ;
- ......
综上,状态转移方程为:
dp[i][j] = min(dp[i - 1][j] , dp[i - 1][j - i * i] + 1 + dp[i - 1][j - 2 * i * i] + 2 , ......)
这时发现,计算一个状态的时候,需要一个循环才能搞定的时候,我们要想到去优化。优化的方向就是用一个或者两个状态来表示这一堆的状态,通常就是用数学的方式做一下等价替换。
发现第二维是有规律的变化的,因此去看看 dp[i][j - i * i] + 1 ; 这个状态: dp[i][j - i * i] + 1 = min( dp[i - 1][j - 2 * i * i] + 2 , dp[i - 1][j - 3 * i * i] + 3 , ......)
因此可以修改我们的状态转移方程为: dp[i][j] = min(dp[i - 1][j] , dp[i][j - i * i] + 1。(j >= i * i )。有个技巧,就是相当于把第二种情况 dp[i - 1][j - i * i] + 1 里面的 i - 1 变成 i 即可。
初始化: 初始化第一行即可,dp[0[0]为1,第一行后面初始化成无穷大。
填表顺序: 根据状态转移方程,仅需从上往下填表。
返回值: 根据状态表示,返回 dp[根号n][n] 。
解析代码1
class Solution {
public:
int numSquares(int n) {
// 状态表示: dp[i][j] 表示:从前i个完全平方数中挑选,总和正好等于j,所有选法中最小的数量
int m = sqrt(n);
vector<vector<int>> dp(m + 1, vector<int>(n + 1, 0x3f3f3f3f));
dp[0][0] = 0;
for(int i = 1; i <= m; ++i)
{
for(int j = 0; j <= n; ++j)
{
if(j >= i * i)
dp[i][j] = min(dp[i - 1][j], dp[i][j - i * i] + 1);
else
dp[i][j] = dp[i - 1][j];
}
}
return dp[m][n];
}
};
解析代码2(滚动数组)
class Solution {
public:
int change(int amount, vector<int>& coins) {
int n = coins.size();
vector<int> dp(amount + 1, 0); // 滚动数组优化
dp[0] = 1;
for(int i = 1; i <= n; ++i)
{
for(int j = coins[i - 1]; j <= amount; ++j)
{
dp[j] = dp[j] + dp[j - coins[i - 1]];
}
}
return dp[amount];
}
};
解析代码3(相同子问题分析和滚动数组)
先看能不能将问题转化成我们熟悉的题型。这里给出一个用拆分出相同子问题的方式,定义一个状态表示。(得到的结果 i 和 j 换一下就是滚动数组优化的结果)
为了叙述方便,把和为 n 的完全平方数的最少数量简称为最小数量。
对于 12 这个数,分析一下如何求它的最小数量。
- 如果 12 本身就是完全平方数,就不用算了,直接返回 1 ;
- 但是 12 不是完全平方数,试着把问题分解⼀下:
- 情况一:拆出来一个 1 ,然后看看 11 的最小数量,记为 x1 ;
- 情况二:拆出来一个 4 ,然后看看 8 的最小数量,记为 x2 ;(为什么拆出来 4 , 而不拆出来 2 呢?)
- 情况三:拆出来一个 8 ...... 其中,接下来求 11、8 的时候,其实又回到了原来的问题上。
因此,可以尝试用 dp 的策略,将 1 2 3 4 6 等等这些数的最小数量依次保存起来。再求较大的 n 的时候,直接查表,然后找出最小数量。
状态表示: dp[i] 表示:和为 i 的完全平方数的最少数量。
状态转移方程:
对于 dp[i] ,根据思路里的分析知道,可以根据小于等于 i 的所有完全平方数 x 进行划分:
- x = 1 时,最小数量为: 1 + dp[i - 1] ;
- x = 4 时,最小数量为: 1 + dp[i - 4] ......
为了方便枚举完全平方数,采用的策略: for(int j = 1; j * j <= i; j++)
综上,状态转移方程为:
dp[i] = min(dp[i], dp[i - j * j] + 1)
初始化:当 n = 0 的时候,没法拆分,结果为 0 ; 当 n = 1 的时候,结果为 1 。
填表顺序: 根据状态转移方程,仅需从左往右填表。
返回值: 根据状态表示,返回 dp[n] 。
class Solution {
public:
int numSquares(int n) {
// dp[i] 表示:和为 i 的完全平方数的最少数量
int m = sqrt(n);
vector<int> dp(n + 1, 0x3f3f3f3f);
dp[0] = 0;
for(int i = 1; i <= m; ++i)
{
for(int j = i * i; j <= n; ++j)
{
dp[j] = min(dp[j], dp[j - i * i] + 1);
}
}
return dp[n];
}
};
本篇完。
下一篇是多源BFS类型的OJ。
下下篇动态规划类型的是其它背包问题(二维费用背包 + 似包非包 + 卡特兰数)的OJ。
(穿越回来复习顺便贴个下两篇链接:)