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  • 经典动态规划:完全背包问题

    读完本文,你可以去力扣拿下如下题目:

    518.零钱兑换II

    -----------

    零钱兑换 2 是另一种典型背包问题的变体,我们前文已经讲了 经典动态规划:0-1 背包问题

    希望你已经看过前两篇文章,看过了动态规划和背包问题的套路,这篇继续按照背包问题的套路,列举一个背包问题的变形。

    本文聊的是 LeetCode 第 518 题 Coin Change 2,题目如下:

    title

    int change(int amount, int[] coins);
    

    PS:至于 Coin Change 1,在我们前文 动态规划套路详解 写过。

    我们可以把这个问题转化为背包问题的描述形式

    有一个背包,最大容量为 amount,有一系列物品 coins,每个物品的重量为 coins[i]每个物品的数量无限。请问有多少种方法,能够把背包恰好装满?

    这个问题和我们前面讲过的两个背包问题,有一个最大的区别就是,每个物品的数量是无限的,这也就是传说中的「完全背包问题」,没啥高大上的,无非就是状态转移方程有一点变化而已。

    下面就以背包问题的描述形式,继续按照流程来分析。

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    解题思路

    第一步要明确两点,「状态」和「选择」

    状态有两个,就是「背包的容量」和「可选择的物品」,选择就是「装进背包」或者「不装进背包」嘛,背包问题的套路都是这样。

    明白了状态和选择,动态规划问题基本上就解决了,只要往这个框架套就完事儿了:

    for 状态1 in 状态1的所有取值:
        for 状态2 in 状态2的所有取值:
            for ...
                dp[状态1][状态2][...] = 计算(选择1,选择2...)
    

    第二步要明确 dp 数组的定义

    首先看看刚才找到的「状态」,有两个,也就是说我们需要一个二维 dp 数组。

    dp[i][j] 的定义如下:

    若只使用前 i 个物品,当背包容量为 j 时,有 dp[i][j] 种方法可以装满背包。

    换句话说,翻译回我们题目的意思就是:

    若只使用 coins 中的前 i 个硬币的面值,若想凑出金额 j,有 dp[i][j] 种凑法

    经过以上的定义,可以得到:

    base case 为 dp[0][..] = 0, dp[..][0] = 1。因为如果不使用任何硬币面值,就无法凑出任何金额;如果凑出的目标金额为 0,那么“无为而治”就是唯一的一种凑法。

    我们最终想得到的答案就是 dp[N][amount],其中 Ncoins 数组的大小。

    大致的伪码思路如下:

    int dp[N+1][amount+1]
    dp[0][..] = 0
    dp[..][0] = 1
    
    for i in [1..N]:
        for j in [1..amount]:
            把物品 i 装进背包,
            不把物品 i 装进背包
    return dp[N][amount]
    

    第三步,根据「选择」,思考状态转移的逻辑

    注意,我们这个问题的特殊点在于物品的数量是无限的,所以这里和之前写的背包问题文章有所不同。

    如果你不把这第 i 个物品装入背包,也就是说你不使用 coins[i] 这个面值的硬币,那么凑出面额 j 的方法数 dp[i][j] 应该等于 dp[i-1][j],继承之前的结果。

    如果你把这第 i 个物品装入了背包,也就是说你使用 coins[i] 这个面值的硬币,那么 dp[i][j] 应该等于 dp[i][j-coins[i-1]]

    首先由于 i 是从 1 开始的,所以 coins 的索引是 i-1 时表示第 i 个硬币的面值。

    dp[i][j-coins[i-1]] 也不难理解,如果你决定使用这个面值的硬币,那么就应该关注如何凑出金额 j - coins[i-1]

    比如说,你想用面值为 2 的硬币凑出金额 5,那么如果你知道了凑出金额 3 的方法,再加上一枚面额为 2 的硬币,不就可以凑出 5 了嘛。

    综上就是两种选择,而我们想求的 dp[i][j] 是「共有多少种凑法」,所以 dp[i][j] 的值应该是以上两种选择的结果之和

    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        for (int j = 1; j <= amount; j++) {
            if (j - coins[i-1] >= 0)
                dp[i][j] = dp[i - 1][j] 
                         + dp[i][j-coins[i-1]];
    return dp[N][W]
    

    最后一步,把伪码翻译成代码,处理一些边界情况

    我用 Java 写的代码,把上面的思路完全翻译了一遍,并且处理了一些边界问题:

    int change(int amount, int[] coins) {
        int n = coins.length;
        int[][] dp = amount int[n + 1][amount + 1];
        // base case
        for (int i = 0; i <= n; i++) 
            dp[i][0] = 1;
    
        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            for (int j = 1; j <= amount; j++)
                if (j - coins[i-1] >= 0)
                    dp[i][j] = dp[i - 1][j] 
                             + dp[i][j - coins[i-1]];
                else 
                    dp[i][j] = dp[i - 1][j];
        }
        return dp[n][amount];
    }
    

    而且,我们通过观察可以发现,dp 数组的转移只和 dp[i][..]dp[i-1][..] 有关,所以可以压缩状态,进一步降低算法的空间复杂度:

    int change(int amount, int[] coins) {
        int n = coins.length;
        int[] dp = new int[amount + 1];
        dp[0] = 1; // base case
        for (int i = 0; i < n; i++)
            for (int j = 1; j <= amount; j++)
                if (j - coins[i] >= 0)
                    dp[j] = dp[j] + dp[j-coins[i]];
        
        return dp[amount];
    }
    

    这个解法和之前的思路完全相同,将二维 dp 数组压缩为一维,时间复杂度 O(N*amount),空间复杂度 O(amount)。

    至此,这道零钱兑换问题也通过背包问题的框架解决了。

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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/labuladong/p/13927918.html
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