背包问题模板

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Luogu & cnblogs

01 背包

题目描述

n 个物品,一个体积为 V 的背包。 第 i 个物品体积为 v_i,价值为 w_i。 每个物品只能选择一次,最大化放入背包物品的总价值。 输出最大总价值。

状态表示

集合

f_{i,j} 表示 从前 i 个物品中选,总体积不超过 j 的方案集合

属性

集合中的 最大价值

状态转移

f_{i,j}=\max\{f_{i-1,j},f_{i-1,j-v_i}+w_i\}

DP 时间复杂度为 O(nV)

初始条件

当选择 0 个物品时,无论总体积为多少,总价值都是 0,故

f_{0,j}=0\,(j\in[0,V])

最终结果

最终应当是 从前 n 个物品中选,总体积不超过 V 的方案中的最大价值,即

f_{n,V}

代码实现

#include <bits/stdc++.h>
const int N = 1e3 + 10;

int n, V, f[N];

int main() {
  std::cin >> n >> V;
  for (int i = 1, v, w; i <= n; ++i) {
    std::cin >> v >> w;
    for (int j = V; j >= v; --j) // 使用上一层的,倒序遍历
      f[j] = std::max(f[j], f[j - v] + w);
  }
  std::cout << f[V] << std::endl;
  return 0;
}

完全背包

题目描述

n 个物品,一个体积为 V 的背包。 第 i 个物品体积为 v_i,价值为 w_i。 每个物品可以选择无限次,最大化放入背包物品的总价值。 输出最大总价值。

状态表示

集合

f_{i,j} 表示 从前 i 个物品中选,总体积不超过 j 的方案集合

属性

集合中的 最大价值

状态转移

f_{i,j}=\max\limits_{k=0}^{\big\lfloor\frac{j}{v_i}\big\rfloor}\{f_{i-1,j-kv_i}+kw_i\}

这样 DP 的时间复杂度是 O(nV^2) 的,有没有优化方法呢?

可以发现

\begin{aligned} f_{i,j}&=\max\{f_{i-1,j},f_{i-1,j-v_i}+w_i,f_{i-1,j-2v_i}+2w_i,f_{i-1,j-3v_i}+3w_i,\cdots\}\\ f_{i,j-v_i}&=\max\{\hspace{1.3 cm}f_{i-1,j-v_i},\hspace{1.1 cm}f_{i-1,j-2v_i}+w_i,\hspace{0.27 cm}f_{i-1,j-3v_i}+2w_i,\cdots\} \end{aligned}

f_{i,j}=\max\{f_{i,j-v_i}+w_i,f_{i-1,j}\}

此时时间复杂度降为 O(nV)

初始条件

当选择 0 个物品时,无论总体积为多少,总价值都是 0,故

f_{0,j}=0\,(j\in[0,V])

最终结果

最终应当是 从前 n 个物品中选,总体积不超过 V 的方案中的最大价值,即

f_{n,V}

代码实现

#include <bits/stdc++.h>
const int N = 1e3 + 10;

int n, V, f[N];

int main() {
  std::cin >> n >> V;
  for (int i = 1, v, w; i <= n; ++i) {
    std::cin >> v >> w;
    for (int j = v; j <= V; ++j) // 使用同一层的,正序遍历
      f[j] = std::max(f[j], f[j - v] + w);
  }
  std::cout << f[V] << std::endl;
  return 0;
}

多重背包

题目描述

朴素算法

状态表示

n 种物品,一个体积为 V 的背包。 第 i 个物品体积为 v_i,价值为 w_i。 每个物品可以选择 s_i,最大化放入背包物品的总价值。 输出最大总价值。

集合

f_{i,j} 表示 从前 i 种物品中选,总体积不超过 j 的方案集合

属性

集合中的 最大价值

状态转移

f_{i,j}=\max\limits_{k=0}^{\min\{s_i,\frac{j}{v_i}\}}\{f_{i-1,j-kv_i}+kw_i\}

初始条件

当选择 0 个物品时,无论总体积为多少,总价值都是 0,故

f_{0,j}=0\,(j\in[0,V])

最终结果

最终应当是 从前 n 种物品中选,总体积不超过 V 的方案中的最大价值,即

f_{n,V}

代码实现

#include <bits/stdc++.h>
const int N = 110;

int n, V, f[N];

int main() {
  std::cin >> n >> V;
  for (int i = 1, v, w, s; i <= n; ++i) {
    std::cin >> v >> w >> s;
    for (int j = V; ~j; --j) // 一定要把 j 放在外面!使用上一层的,倒序遍历
      for (int k = 0; k <= s && k * v <= j; ++k)
        f[j] = std::max(f[j], f[j - k * v] + k * w);
  }
  std::cout << f[V] << std::endl;
  return 0;
}

二进制优化

引理:

**证明:** 显然地,$2^0,2^1,\cdots,2^k$ 可以凑出 $[1,2^{k+1}-1]$ 之间的所有正整数。 将其中每个数 $+s$,则可以凑出 $[s,n]$​ 之间的所有正整数。 因为 $s\le2^{k+1}-1$,所以 $[1,2^{k+1}-1],[s,n]$ 必然能覆盖 $[1,n]$ 中的所有正整数。 证毕。

对于每种物品的个数 s​,我们也可以按照这样的方法拆分,做 01 背包。

代码实现

#include <bits/stdc++.h>
const int N = 2e3 + 10;

int n, V, f[N];

int main() {
  std::cin >> n >> V;
  for (int i = 1, v, w, s; i <= n; ++i) {
    std::cin >> v >> w >> s;
    for (int k = 1; k <= s; k <<= 1) {
      for (int j = V; j >= k * v; --j) // 使用上一层的,倒序遍历
        f[j] = std::max(f[j], f[j - k * v] + k * w);
      s -= k;
    }
    if (s)
      for (int j = V; j >= s * v; --j)
        f[j] = std::max(f[j], f[j - s * v] + s * w);
  }
  std::cout << f[V] << std::endl;
  return 0;
}

单调队列优化

在朴素算法中,状态转移方程如下:

f_{j}\gets\max\{f_j,f_{j-v}+w,f_{j-2v}+2w,f_{j-3v}+3w,\cdots,f_{j-sv}+sw\}(假设\,j\ge sv)

容易发现,\{f_j,f_{j-v},f_{j-2v},\cdots,f_{j-sv}\}\sub\bar{j}(\bmod v),即这些数同属一个模 m 的同余系。

不同同余系之间不相干,所以我们可以在一个同余系内考虑。

可以发现,求 f_j 其实就是求一段长度为 s区间的最大值,故考虑使用单调队列。

令非负整数 q\in[0,v),可得如下式子:

\begin{aligned} f_{q}&=\max\{f_{q}\}\\ f_{q+v}&=\max\{f_{q+v},f_{q}+w\}\\ f_{q+2v}&=\max\{f_{q+2v},f_{q+v}+w,f_{q}+2w\}\\ &\hspace{3 cm}\vdots\\ f_{q+pv}&=\max\{f_{q+pv},f_{q+(p-1)v}+w,f_{q+(p-2)v}+2w,\cdots,f_{q}+pw\} \end{aligned}

上面的最后一个式子只是理想情况,可能取不到 f_q

可以发现在第 1 个式子中是 f_q,第 2 个式子中是 f_q+w,最后一个式子中为 f_q+pw。队列中的值都在变化,是无法使用单调队列的。

怎么办呢?

其实可以把 \max 中的 w 都提出来,得到如下式子:

\begin{aligned} f_{q}&=\max\{f_{q}\}\\ f_{q+v}&=\max\{f_{q+v}-w,f_{q}\}+w\\ f_{q+2v}&=\max\{f_{q+2v}-2w,f_{q+v}-w,f_{q}\}+2w\\ &\hspace{5 cm}\vdots\\ f_{q+pv}&=\max\{f_{q+pv}-pw,f_{q+(p-1)v}-(p-1)w,f_{q+(p-2)v}-(p-2)w,\cdots,f_{q}\}+pw \end{aligned}

此时队列中原有的元素就不会发生变化了。

虽然在单调队列中插入的只是下标(如 q,q+v,\cdots,q+pv),但是这个下标 r 所代表的值 \operatorname{val}(r)​ 为多少呢?

假设 r=m+nv

通过观察可以发现,w 的系数就是 n,故:

\operatorname{val}(r)=f_{r}-\dfrac{r-m}{v}w

有了 \operatorname{val}(r),就可以解决当前元素插入单调队列队尾的问题了。

然后我们要解决如何判断队头是否过时的问题。

假设当前队头 a=j+xv,当前的体积 b=j+yv(x<y)

容易发现,当 y-x>s 时,队头就失效了。

又因为 b-a=(y-x)v,所以队头失效的条件为:

\boxed{b-a>sv}

最后,我们应该知道如何用单调队列队头 a 来更新 f_b​。

朴素式子中第 2 项以以后的元素都是在单调队列中的,所以后面这些值的 \max 相当于 \operatorname{val}(a)

因为 b=j+yv,所以 \max 外的 w 的系数为 y=\dfrac{b-j}{v}

故可得:

\begin{aligned} f_b&=\max\left\{f_b-\dfrac{b-j}{v}w,\operatorname{val}(a)\right\}+\dfrac{b-j}{v}w\\ &=\max\left\{f_b-\dfrac{b-j}{v}w+\dfrac{b-j}{v}w,f_a-\dfrac{a-j}{v}w+\dfrac{b-j}{v}w\right\}\\ &=\max\left\{f_b,f_a+\dfrac{b-a}{v}w\right\} \end{aligned}

此时就可以 O(1) 计算 f_b 了。

该算法时间复杂度为 O(nV)

代码实现

PS:具体实现时,如果只开一个一维数组,那么就应当倒序循环。但是如果倒序循环,单调队列就无法优化。所以应该采用滚动数组技巧。此处使用 f 存储这一层,g 存储上一层。

#include <bits/stdc++.h>
const int N = 2e4 + 10;

int n, V, f[N], g[N], q[N]; // f,g 为 DP 数组,q 为单调队列(最大容量为 V)

int main() {
  std::cin >> n >> V;
  for (int i = 1, v, w, s; i <= n; ++i) {
    std::cin >> v >> w >> s;
    memcpy(g, f, sizeof(f)); // g <- f

    for (int j = 0; j < v; ++j) { // 枚举同余类
      int hh = 0, tt = -1; // 单调队列的头和尾
      for (int k = j; k <= V; k += v) { // 在同一个同余类内枚举体积
        while (hh <= tt && k - q[hh] > s * v) ++hh; // 弹出队头
        if (hh <= tt) f[k] = std::max(g[k], g[q[hh]] + (k - q[hh]) / v * w); // 状态转移
        while (hh <= tt && g[q[tt]] - (q[tt] - j) / v * w <= g[k] - (k - j) / v * w) --tt; // 弹出队尾
        q[++tt] = k; // 插入当前元素
      }
    }
  }

  std::cout << f[V] << std::endl;
  return 0;
}

混合背包

题目描述

n 种物品,一个体积为 V 的背包。

物品一共有三类:

i 种物品,体积为 v_i,价值为 w_i​。

最大化放入背包物品的总价值,并输出最大总价值。

解决方法

01 背包、完全背包、多重背包的混合版。

可以分类讨论:

代码实现

#include <bits/stdc++.h>
const int N = 1e3 + 10;

int n, V, f[N];

int main() {
  std::cin >> n >> V;
  for (int i = 1, v, w, s; i <= n; ++i) {
    std::cin >> v >> w >> s; // 本题中 s=-1 为第一类,s=0 为第二类,s 是正整数为第三类
    if (!s) { // 完全背包
      for (int j = v; j <= V; ++j)
        f[j] = std::max(f[j], f[j - v] + w);
    } else {
      if (s == -1) s = 1; // 01 背包->多重背包
      for (int k = 1; k <= s; k <<= 1) {
        for (int j = V; j >= k * v; --j)
          f[j] = std::max(f[j], f[j - k * v] + k * w);
        s -= k;
      }
      if (s)
        for (int j = V; j >= s * v; --j)
          f[j] = std::max(f[j], f[j - s * v] + s * w);
    }
  }
  std::cout << f[V] << std::endl;
  return 0;
}

分组背包

题目描述

n 组物品,一个体积为 V 的背包。

i 组物品有 s_i 个,同一组内的物品最多只能选一个。

i 组内的第 j 个物品,体积为 v_{i,j},价值为 w_{i,j}

最大化放入背包物品的总价值,并输出最大总价值。

状态表示

集合

f_{i,j} 表示 从前 i 组物品中选,总体积不超过 j 的方案集合

属性

集合中的 最大价值

状态转移

f_{i,j}=\max\{f_{i-1,j},\max\limits_{k=1}^{s_i}\{f_{i-1,j-v_{i,k}}+w_{i,k}\}\}

初始条件

当从前 0 组物品中选择时,无论总体积为多少,总价值都是 0,故

f_{0,j}=0\,(j\in[0,V])

最终结果

最终应当是 从前 n 组物品中选,总体积不超过 V 的方案中的最大价值,即

f_{n,V}

代码实现

#include <bits/stdc++.h>
const int N = 110; // 假设 V,s[i] 同阶

int n, V, v[N], w[N], f[N];

int main() {
  std::cin >> n >> V;
  for (int i = 1, s; i <= n; ++i) {
    std::cin >> s;
    for (int j = 1; j <= s; ++j) std::cin >> v[j] >> w[j];
    for (int j = V; ~j; --j)
      for (int k = 1; k <= s; ++k)
        if (j >= v[k]) f[j] = std::max(f[j], f[j - v[k]] + w[k]);
  }
  std::cout << f[V] << std::endl;
  return 0;
}

二维费用背包

题目描述

n 组物品,一个体积为 V,最大承重为 M 的背包。

i 个物品体积为 v_i,重量为 m_i,价值为 w_i。 每个物品只能选择一次,最大化放入背包物品的总价值。 输出最大总价值。

状态表示

集合

f_{i,j,k} 表示 从前 i 个物品中选,总体积不超过 j,总重量不超过 k 的方案集合

属性

集合中的 最大价值

状态转移

与 01 背包类似,分选择不选两种情况。

f_{i,j,k}=\max\{f_{i-1,j,k},f_{i-1,j-v_i,k-m_i}+w_i\}

初始条件

当选择 0 个物品时,无论总体积、总重量为多少,总价值都是 0,故

f_{0,j,k}=0\,(j\in[0,V],k\in[0,M])

最终结果

最终应当是 从前 n 个物品中选,总体积不超过 V,总重量不超过 M 的方案中的最大价值,即

f_{n,V,M}

代码实现

#include <iostream>
const int N = 1e2 + 10;

int n, V, M, f[N][N];

int main() {
  std::cin >> n >> V >> M;
  for (int i = 1, v, m, w; i <= n; ++i) {
    std::cin >> v >> m >> w;
    for (int j = V; j >= v; --j)
      for (int k = M; k >= m; --k)
        f[j][k] = std::max(f[j][k], f[j - v][k - m] + w);
  }
  std::cout << f[V][M] << std::endl;
  return 0;
}

有依赖的背包问题

题目描述

n 个物品和一个体积为 V​ 的背包。

物品之间具有依赖关系,且依赖关系组成一棵树的形状。如果选择一个物品,则必须选择它的父节点。

i 个物品体积为 v_i,价值为 w_i,依赖的父结点编号为 p_i。若 p_i=-1​,则表示根节点。

求解将哪些物品装入背包,可使物品总体积不超过背包体积,且总价值最大。

输出最大价值。

状态表示

集合

f_{u,j} 表示 在以 u 为根结点的子树中(包含 u),总体积不超过 j 的方案集合

属性

集合中的 最大价值

状态转移

对于每个儿子,可以用体积划分集合。

由于每个儿子只能有一种体积,所以相当于一个分组背包

初始条件

f_{u,j}=0\,(j\in[1,n],j\in[1,V])

最终结果

最终结果应为在根结点的子树中,总体积不超过 V 的方案集合,即

f_{\text{root},V} ## 代码实现 ```cpp #include <bits/stdc++.h> const int N = 110; std::vector<int> g[N]; int n, V, root, v[N], w[N], f[N][N]; void dp(int u) { for (auto son : g[u]) { // 遍历儿子 dp(son); for (int j = V - v[u]; ~j; --j) // 由于一定要包含 u 结点,所以最大体积为 V-v[u] for (int k = 0; k <= j; ++k) f[u][j] = std::max(f[u][j], f[u][j - k] + f[son][k]); } for (int i = V; i >= v[u]; --i) f[u][i] = f[u][i - v[u]] + w[u]; // 加入 u,更新 for (int i = 0; i < v[u]; ++i) f[u][i] = 0; // 不可能的情况 } int main() { std::cin >> n >> V; for (int i = 1, p; i <= n; ++i) { std::cin >> v[i] >> w[i] >> p; if (p == -1) root = i; else g[p].push_back(i); } dp(root); std::cout << f[root][V] << std::endl; return 0; } ``` # 背包问题求方案数 ## 题目描述 有 $n$ 件物品,体积为 $V$ 的背包。 第 $i$ 件物品体积为 $v_i$,价值为 $w_i$​,每件物品只能用一次。 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体积,且总价值最大。 输出 **最优选法的方案数**。注意答案可能很大,请输出答案模 $10^9+7$ 的结果。 ## 状态表示 ### 集合 令 $f_{i,j}$ 表示从前 $i$ 个物品中选,总体积 **恰好** 为 $j$ 的方案集合。 ### 属性 集合中的 **最大价值**。 ## 状态转移 令 $g_{i,j}$ 表示到达 $f_{i,j}$​ 的方案数。 可以知道, $$ f_{i,j}=\max\{f_{i-1,j},f_{i-1,j-v_i}+w_i\} $$ 可以分三类讨论: - $f_{i-1,j}>f_{i-1,j-v_i}+w_i$:此时 $f_{i,j}\gets f_{i-1,j}$。那么 $g_{i,j}\gets g_{i-1,j}$。 - $f_{i-1,j} < f_{i-1,j-v_i}+w_i$:此时 $f_{i,j}\gets f_{i-1,j-v_i}+w_i$。那么 $g_{i,j}\gets g_{i-1,j-v}$。 - $f_{i-1,j} = f_{i-1,j-v_i}+w_i$:此时两种前置情况都可以到达 $f_i,j$。那么 $g_{i,j}\gets g_{i-1,j}+g_{i-1,j-v}$。 ## 初始条件 由于 $f_{i,j}$ 表示 **恰好** 总体积为 $j$ 的方案集合,那么 $$ \begin{cases} f_{0,0}=0,g_{0,0}=1&\\ f_{0,j}=-\infty,g_{0,j}=0&(j\in[1,V]) \end{cases} $$ ## 最终结果 令 $k$ 表示背包中的最大总价值,即 $f$ 中的最大值。此时答案为: $$ \sum_{\mathclap{\substack{i,j \ i + j = f_{i,j}}}} (i + j) $$ ## 代码实现 ```cpp #include <bits/stdc++.h> const int N = 1e3 + 10; const int MOD = 1e9 + 7; int n, V, ans, cnt, f[N], g[N]; int main() { std::cin >> n >> V; memset(f, -0x3f, sizeof(f)); f[0] = 0, g[0] = 1; for (int i = 1, v, w; i <= n; ++i) { std::cin >> v >> w; for (int j = V; j >= v; --j) { int mx = std::max(f[j], f[j - v] + w), s = 0; if (mx == f[j]) s = g[j]; if (mx == f[j - v] + w) (s += g[j - v]) %= MOD; f[j] = mx, g[j] = s; } } ans = *std::max_element(f, f + V + 1); for (int i = 0; i <= V; ++i) if (f[i] == ans) cnt += g[i]; std::cout << cnt << std::endl; return 0; } ``` # 背包问题求具体方案 ## 题目描述 有 $n$ 件物品和一个体积为 $V$​ 的背包。 第 $i$ 件物品体积为 $v_i$,价值为 $w_i$​,每件物品只能用一次。 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体积,且总价值最大。 输出 **字典序最小的方案**。这里的字典序是指:所选物品的编号所构成的序列。 ## 状态表示 ### 集合 令 $f_{i,j}$ 表示从**后** $n-i+1$ 件物品中选,总体积不超过 $j$ 的方案集合(至于为什么要这样,见下文)。 ### 属性 集合中的最大价值。 ## 状态转移 容易知道, $$ f_{i,j}\gets \max\{f_{i+1,j},f_{i+1,j-v_i}+w_i\} $$ ## 初始条件 $$ f_{n+1,j}=0\,(j\in[0,V]) $$ ## 获得方案 题目要求输出 **字典序最小的方案**。从前往后考虑,每个物品必然是 **能选就选**。 如何知道第 $i$​ 个物品能不能选呢? 可以看 $f_{i,j}$ 是否从**选第 $i$ 个物品**的情况转移过来(如果 $f_{i+1,j}=f_{i+1,j-v_i}+w_i$,根据能选就选的原则,也得选) > Q:为什么要这样定义 $f_{i,j}$? > > A:倒着定义,$f_{1,V}$ 就是**全局最优解**。根据转移的情况来向后推,$f_{2,\Delta V},f_{2,\Delta V'},\cdots$ 都是全局最优解,保证输出结果是全局最优方案。但是如果正着定义,$f_{1,V}$ 是**局部最优解**,在后面的转移中可能没有入选,会导致输出结果不是全局最优方案。 > > ### 提供一组数据: > > #### 输入 > > ``` > 4 5 > 1 2 > 2 4 > 3 4 > 4 6 > ``` > > #### 输出一(倒着定义) > > ``` > 1 4 > ``` > > #### 输出二(正着定义) > > ``` > 1 2 > ``` > 可以发现输出二 只是纯粹的能选就选,没有考虑全局情况。 > > (这里可能解释不清楚,轻喷/kk) 详见代码。 ## 代码实现 ```cpp #include <bits/stdc++.h> const int N = 1e3 + 10; // 假设 n,V 同阶 int n, V, v[N], w[N], f[N][N]; // 此时不能压成一维了 int main() { std::cin >> n >> V; for (int i = 1; i <= n; ++i) std::cin >> v[i] >> w[i]; for (int i = n; i; --i) for (int j = 0; j <= V; ++j) { f[i][j] = f[i + 1][j]; if (j >= v[i]) f[i][j] = std::max(f[i][j], f[i + 1][j - v[i]] + w[i]); } int j = V; // 剩余空间的体积 for (int i = 1; i <= n; ++i) { if (j >= v[i] && f[i][j] == f[i + 1][j - v[i]] + w[i]) { // 从选第 i 个的情况转移过来 std::cout << i << " "; j -= v[i]; } } std::cout << std::endl; return 0; } ```