【动态规划】背包问题 - 二维费用的01背包问题

news2024/9/19 10:37:02

文章目录

  • 1. 前言
  • 2. 二位费用的01背包问题·
    • 2.1_一和零
    • 2.2_盈利计划
    • 2.3_珠宝的最高价值
  • 3. 似包非包问题
    • 3.1_不同的二叉搜索树
    • 3.2_组合总和Ⅳ

1. 前言

关于 动态规划的理解 与例题,点击👇

【动态规划】C++解决斐波那契模型题目(三步问题、爬楼梯、解码方法…)

有了上面的经验,我们来解下面 二维费用的 01 背包问题

2. 二位费用的01背包问题·

2.1_一和零

在这里插入图片描述

思路

  1. 初始化数据

    • lenstrs 中字符串的数量。
    • dp[i][j][k] 表示在前 i 个字符串中,使用至多 j 个 ‘0’ 和 k 个 ‘1’ 能得到的最长子集长度。
  2. 统计每个字符串的 ‘0’ 和 ‘1’ 数量

    • 对于每个字符串,计算其包含的 ‘0’ 和 ‘1’ 数量,分别用 ab 表示。
  3. 动态规划状态转移

    • 不选择当前字符串,dp[i][j][k] = dp[i-1][j][k]
    • 如果可以选择当前字符串(即 j >= ak >= b),则更新状态为 dp[i][j][k] = max(dp[i][j][k], dp[i-1][j-a][k-b] + 1),这表示选择当前字符串后的最长子集长度。
  4. 返回结果

    • 最终结果为 dp[len][m][n],即在所有字符串中,使用至多 m 个 ‘0’ 和 n 个 ‘1’ 能得到的最长子集长度。

这个算法通过三维 DP 表来处理每个子集的选择状态,确保在给定的 ‘0’ 和 ‘1’ 约束下,找到最大的子集长度。

代码

class Solution {
public:
    int findMaxForm(vector<string>& strs, int m, int n) {
        int len = strs.size();
        // 创建dp数组
        // dp[i][j][k]: 在前i个数中选,0的个数不超过j,1的个数不超过k,时的最长子集长度
        vector<vector<vector<int>>> dp(len+1, vector<vector<int>>(m+1, vector<int>(n+1)));

        for(int i = 1; i <= len; ++i)
        {
            int a = 0, b = 0; // 统计当前字符串的01个数
            for(char ch : strs[i-1]) // 下标映射
                if(ch == '1') b++;
                else a++;

            // 填表
            for(int j = 0; j <= m; ++j)
                for(int k = 0; k <= n; ++k)
                {
                    dp[i][j][k] = dp[i-1][j][k]; // 不选择i字符串
                    if(j >= a && k >= b)
                        dp[i][j][k] = max(dp[i][j][k], dp[i-1][j-a][k-b]+1);
                }
        }

        return dp[len][m][n];
    }
};

2.2_盈利计划

在这里插入图片描述

思路

  1. 状态定义

    • dp[i][j][k] 表示使用前 i 个计划,选用的员工人数不超过 j,总利润至少为 k 的方案数量。
  2. 初始化

    • dp[0][j][0] = 1 表示在没有选择任何计划的情况下,选择任意人数的员工,总利润可以被认为是0的情况有且仅有1种:即什么都不做。
    • 对于其他情况下,当选择0个计划时,所有人数的情况下利润都不能满足大于0的条件,所以这些状态也应初始化为0。
  3. 状态转移

    • 对于每个计划 i,考虑是否选择该计划:
      • 如果选择该计划,更新 dp[i][j][k],将其设为 dp[i-1][j][k](不选择该计划的方案数)加上选择该计划后的方案数。
      • 选择该计划后,员工人数减少 group[i-1],利润减少 profit[i-1]。利润 k 需要用 max(0, k - profit[i-1]) 来避免负利润的情况。
    • 更新后的方案数需要对 MOD 取模,防止溢出。
  4. 结果

    • 最终的答案是 dp[len][n][minProfit],即使用所有计划,员工人数不超过 n,利润至少为 minProfit 的方案数量。

复杂度分析

  • 时间复杂度O(len * n * minProfit),其中 len 是计划数量,n 是员工数量,minProfit 是利润目标。
  • 空间复杂度O(len * n * minProfit),需要一个三维的 DP 数组来存储状态。

代码

class Solution {
public:
    int profitableSchemes(int n, int minProfit, vector<int>& group, vector<int>& profit) {
        const int MOD = 1e9 + 7;
        int len = group.size();
        // 创建dp数组
        // dp[i][j][k]: 在前i个计划中选择,人数不超过j,利润至少为k 的选法数量
        vector<vector<vector<int>>> dp(len+1, vector<vector<int>>(n+1, vector<int>(minProfit+1)));
        // 初始化元素
        for(int j = 0; j <= n; ++j) dp[0][j][0] = 1;
        // 填表
        for(int i = 1; i <= len; ++i)
            for(int j = 0; j <= n; ++j)
                for(int k = 0; k <= minProfit; ++k)
                {
                    dp[i][j][k] = dp[i-1][j][k];
                    if(j >= group[i-1]) // 下标映射
                        dp[i][j][k] += dp[i-1][j-group[i-1]][max(0, k-profit[i-1])];
                    dp[i][j][k] %= MOD;
                } 

        return dp[len][n][minProfit];
    }
};

2.3_珠宝的最高价值

在这里插入图片描述

思路

  1. 初始化数据

    • n 是可用的总人数。
    • minProfit 是所需的最低利润。
    • groupprofit 分别表示每个计划所需的人数和带来的利润。
    • MOD 是取模的常量,避免结果溢出。
  2. 创建 DP 表

    • dp[i][j][k] 表示在前 i 个计划中,选择方案使得使用的人数不超过 j,并且获得的利润至少为 k 的选法数量。
  3. 初始化 DP 表

    • dp[0][j][0] 初始化为 1,表示在没有任何计划时,无论人数 j 是多少,总是有 1 种方式(即选择什么都不做)。
  4. 动态规划状态转移

    • 不选择当前计划,dp[i][j][k] = dp[i-1][j][k]
    • 如果选择当前计划(即 j >= group[i-1]),则从 dp[i-1][j-group[i-1]][max(0, k-profit[i-1])] 转移过来。这里的 max(0, k-profit[i-1]) 确保即使利润 k-profit[i-1] 小于零,也不会影响 DP 状态。
  5. 取模操作

    • 每次更新 dp 表时,都取模 MOD,确保结果不会因为大数而溢出。
  6. 返回结果

    • dp[len][n][minProfit] 表示在所有计划中,使用最多 n 人,并且获得至少 minProfit 利润的选法数量。

这段代码通过三维 DP 表来追踪不同计划、人数和利润条件下的方案数量,确保最终计算出符合条件的所有方案数。

代码

class Solution {
public:
    int jewelleryValue(vector<vector<int>>& frame) {
        int m = frame.size(), n = frame[0].size();
        // dp的创建 与 元素初始化
        vector<vector<int>> dp(m + 1, vector<int>(n + 1, 0));

        for(int i = 1; i <= m; ++i)
            for(int j = 1; j <= n; ++j)
                dp[i][j] = max(dp[i-1][j], dp[i][j-1]) + frame[i-1][j-1]; // 映射下标(对于frame要-1)

        return dp[m][n];
    }
};

3. 似包非包问题


3.1_不同的二叉搜索树

在这里插入图片描述

思路

  1. 初始化 DP 数组

    • dp[i] 表示拥有 i 个节点的二叉搜索树的数量。
    • dp[0] 初始化为 1,表示空树(即没有节点)视为一种有效的 BST。
  2. 填充 DP 表

    • 使用两层循环:
      • 外层循环遍历所有节点数 i1n
      • 内层循环遍历每个节点 j 作为根节点时的情况,j1i
      • 对于每个 j 作为根节点,左子树有 j-1 个节点,右子树有 i-j 个节点。因此,dp[i] 的更新公式是 dp[i] += dp[j-1] * dp[i-j]
  3. 返回结果

    • dp[n] 就是拥有 n 个节点的所有可能的 BST 的数量。

代码

class Solution {
public:
    int numTrees(int n) {
        // 创建dp数组 dp[i]: 节点数为i时的二叉搜索树的种数
        vector<int> dp(n+1);
        // 初始化
        dp[0] = 1; // 空树算一种 / 为了后续填表正确
        // 填表
        for(int i = 1; i <= n; ++i)
            for(int j = 1; j <= i; ++j)
                dp[i] += dp[j-1] * dp[i-j];

        return dp[n];
    }
};

3.2_组合总和Ⅳ

在这里插入图片描述

思路

  1. 初始化 DP 数组

    • vector<double> dp(target + 1); 创建了一个 DP 数组 dp,其中 dp[i] 表示和恰好为 i 的组合数。
    • dp[0] = 1; 初始化 dp[0]1,这是因为和为 0 的唯一组合是空组合。
  2. 动态规划填表

    • 遍历所有的 i1target
    • 对于每一个 i,遍历 nums 中的每个数 x
      • 如果 i >= x,那么 i 这个目标值可以由 i-x 这个目标值加上 x 得到。即,dp[i] 可以从 dp[i - x] 递推过来。
      • 因此,dp[i] += dp[i - x]; 更新 dp[i] 的值。
  3. 返回结果

    • return dp[target]; 最终返回 dp[target],即所有可能的组合数,使得选取的数的和为 target

代码

class Solution {
public:
    int combinationSum4(vector<int>& nums, int target) {
        // 线性dp问题
        // 创建dp数组 dp[i]: 选择数使和恰好为i的组合总数
        vector<double> dp(target+1);
        dp[0] = 1; // 初始化
        for(int i = 1; i <= target; i++)
            for(int x : nums)
                if(i >= x)
                    dp[i] += dp[i - x];

        return dp[target];
    }
};

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