代码随想录算法训练营DAY46|C++动态规划Part8|139.单词拆分、多重背包理论基础、背包问题总结篇

文章目录

  • 139.单词拆分
    • 思路
    • CPP代码
  • 多重背包理论基础
    • 处理输入
    • 把所有个数大于1的物品展开成1个
    • 开始迭代,计算dp数组
    • 代码优化
  • 背包问题总结篇

139.单词拆分

力扣题目链接

文章讲解:139.单词拆分

视频讲解:你的背包如何装满?| LeetCode:139.单词拆分
状态:本题主要还是两个地方要注意:一个是s.substr的使用,另外一个就是遍历顺序,最后是对内循环循环终止条件的考量.

本题其实是可以使用回溯算法来写的,具体可以直接去看卡哥的文章:回溯算法和优化思路

如果使用动态规划应该怎么写呢?

题目中要求我们用wordDict中的元素,看能不能组合成字符串s,其实已经很直观了!

也就是说我们的物品是wordDict,背包容量是s,看这些物品能不能正好装满这个背包。同时,题目中说了我们的物品元素是能够使用多次的,所以本题是一道很奈斯的完全背包问题!

思路

  • dp数组含义

如果这个字符串长度为i,如果能被wordDict的单词组成的话,那么dp[i]=true,最终的结果其实就是dp[s.size]到底是true还是false(我们用dp[0]来表示空字符串的状态)

  • 递推公式

这个递推公式其实蛮复杂的该说不说。这里数形结合进行表示

如果 我们的dp[j]为true,并且我们的N子段为wordDict中的元素,那就可以完美推导出dp[i]也为true

if (wordSet.find(N) != wordSet.end() && dp[j]==true)dp[i]=true 
  • 初始化
    这里的初始化很重要,dp[0]必须初始化成true,如果dp[0]初始化成false的话对导致后面的推导全部是false(因为我们仍然要借助前面的dp[j]来判断后面的dp[i])。然后非零下标为了不影响赋值所以都初始化成false

  • 遍历顺序

对于完全背包问题,两层for循环的讨论非常有必要,这里再次做总结

如果求组合数就是外层for循环遍历物品,内层for遍历背包

如果求排列数就是外层for遍历背包,内层for循环遍历物品

求组合数的题有:518.零钱兑换II

求排列数的题有:377. 组合总和 Ⅳ 、70. 爬楼梯进阶版(完全背包)

求最小数的题有:322. 零钱兑换 、279.完全平方数


在本题中,我们求的很明显是排列数,也就是说关注顺序,比如说s = “applepenapple”, wordDict = [“apple”, “pen”]

“apple”, “pen” 是物品,那么我们要求 物品的组合一定是 “apple” + “pen” + “apple” 才能组成 “applepenapple”。

“apple” + “apple” + “pen” 或者 “pen” + “apple” + “apple” 是不可以的,那么我们就是强调物品之间顺序。

所以本题一定是先遍历背包,再遍历物品。

  • 打印

以输入: s = “leetcode”, wordDict = [“leet”, “code”]为例,dp状态如图:

CPP代码

class Solution {
public:bool wordBreak(string s, vector<string>& wordDict) {unordered_set<string> wordSet(wordDict.begin(), wordDict.end());vector<bool> dp(s.size() + 1, false);dp[0] = true;for (int i = 1; i <= s.size(); i++) {   // 遍历背包for (int j = 0; j < i; j++) {       // 遍历物品string word = s.substr(j, i - j); //substr(起始位置,截取的个数)if (wordSet.find(word) != wordSet.end() && dp[j]) {dp[i] = true;}}}return dp[s.size()];}
};
  • 时间复杂度:O(n^3),因为substr返回子串的副本是O(n)的复杂度(这里的n是substring的长度)
  • 空间复杂度:O(n)

多重背包理论基础

卡码网第56题

文章讲解:多重背包理论基础

什么叫多重背包问题呢?其实就是在01背包的基础上多了一个物品数量的维度。

重量价值数量
物品01152
物品13203
物品24302

可以转换成01背包问题吗?必须的

重量价值数量
物品01151
物品01151
物品13201
物品13201
物品13201
物品24301
物品24301

处理输入

题目中谈到,“宇航舱最大容量为C”,即背包的最大容量为C;
“有N种不同的矿石”,表示物品的种类有N个;
每种矿石有一个重量w[i],一个价值v[i],以及最多k[i]个可用,这段描述可以确定是典型的多重背包问题。输入形式如下:

输入共包括四行,第一行包含两个整数 C 和 N,分别表示宇航舱的容量和矿石的种类数量。
接下来的三行,每行包含 N 个正整数。具体如下:
第二行包含 N 个整数,表示 N 种矿石的重量。
第三行包含 N 个整数,表示 N 种矿石的价格。
第四行包含 N 个整数,表示 N 种矿石的可用数量上限。

int bagWeight, n;
cin >> bagWeight >> n;
vector<int> weight(n, 0);
vector<int> value(n, 0);
vector<int> nums(n, 0);
for (int i = 0; i < n; i++) cin >> weight[i];
for (int i = 0; i < n; i++) cin >> weight[i];
for (int i = 0; i < n; i++) cin >> weight[i];

把所有个数大于1的物品展开成1个

展开的过程不在乎顺序,直接往对应数组后面插即可

for (int i = 0; i < n; i++) {while (nums[i] > 1) { //物品数量不是一的,都展开weight.push_back(weight[i]);value.push_back(value[i]);nums[i]--}
}

开始迭代,计算dp数组

完全按照01背包的搞法来整

vector<int> dp(bagWeight + 1, 0);
for (int i = 0; i < weight.size(); i++) {for (int j = bagWeight; j >= weight[i]; j--) {dp[j] = max(dp[j], dp[j - weight[i]] + value[i];}cout << dp[bagWeight] << endl;
}

代码优化

如果提交刚刚那段代码,我们会发现代码超时了
我们再来审视一下之前的代码,其实出问题的就在于vector底层的动态扩容,虽然根据扩容操作的平摊事件时间复杂度,vector底层的动态扩容应该是O(1),但是数据量较大的时候还是会遇到插入延迟,所以我们应该对其进行优化。

for (int i = 0; i < n; i++) {while (nums[i] > 1) { // 物品数量不是一的,都展开weight.push_back(weight[i]);value.push_back(value[i]);nums[i]--;}
}
  • 我们可以先把所有物品数量都计算好,然后一起申请vector的空间。
    //方法:reserve// 计算总共需要的空间int totalItems = 0;for (int i = 0; i < n; i++) {totalItems += nums[i];}vector<int> expandedWeight;vector<int> expandedValue;expandedWeight.reserve(totalItems); // 预分配足够的空间expandedValue.reserve(totalItems);// 填充物品for (int i = 0; i < n; i++) {for (int count = 0; count < nums[i]; count++) {expandedWeight.push_back(weight[i]);expandedValue.push_back(value[i]);}}//方法二:resize// 计算总共需要的空间int totalItems = 0;for (int i = 0; i < n; i++) {totalItems += nums[i];}// 使用 resize 预设大小,并在原数组上操作weight.resize(totalItems);value.resize(totalItems);int index = n; // 从原始数组大小开始填充新元素for (int i = 0; i < n; i++) {for (int count = 1; count < nums[i]; count++) { // 已有一个初始元素,所以从1开始weight[index] = weight[i];value[index] = value[i];index++;}}
  • 再就是把每种商品遍历的个数放在01背包里面一起遍历
//最终代码
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
int main() {int bagWeight,n;cin >> bagWeight >> n;vector<int> weight(n, 0);vector<int> value(n, 0);vector<int> nums(n, 0);for (int i = 0; i < n; i++) cin >> weight[i];for (int i = 0; i < n; i++) cin >> value[i];for (int i = 0; i < n; i++) cin >> nums[i];vector<int> dp(bagWeight + 1, 0);for(int i = 0; i < n; i++) { // 遍历物品for(int j = bagWeight; j >= weight[i]; j--) { // 遍历背包容量// 以上为01背包,然后加一个遍历个数for (int k = 1; k <= nums[i] && (j - k * weight[i]) >= 0; k++) { // 遍历个数dp[j] = max(dp[j], dp[j - k * weight[i]] + k * value[i]);}}}cout << dp[bagWeight] << endl;
}

时间复杂度:O(m × n × k),m:物品种类个数,n背包容量,k单类物品数量

背包问题总结篇

背包问题中关于初始值的设定只有两种情况:

  1. 关于下标0的设定紧贴dp数组的含义
  2. 关于非零下标的设置要防止后续推导的值被覆盖

二刷后完成总结,这里先贴上卡哥的文章背包问题总结篇

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