LeetCode题解 动态规划(四):416 分割等和子集;1049 最后一块石头的重量 II

背包问题

下图将背包问题做了分类

416.分割等和子集1

其中之重点,是01背包,即一堆物件选哪样不选哪样放入背包里。难度在于,以前的状态转移,多只用考虑一个变量,比如爬楼梯的阶层,路径点的选择,这也是能用滚动数组表示动态规划的原因,而现在要同时考虑两个:物品和背包容量。

01背包

有n件物品和一个最多能背重量为w 的背包。第i件物品的重量是weight[i],得到的价值是value[i] 。每件物品只能用一次,求解将哪些物品装入背包里物品价值总和最大。

使用动态规划五部曲:

1 - 确定dp数组含义:有一种写法, 是使用二维数组,即dp[i] [j] 表示从下标为[0-i]的物品里任意取,放进容量为j的背包,价值总和最大是多少

2 - 到了第 i 件物品的时候,背包容量为 j ,但就放不放物品,两种选择:

  • 不放第 i 件物品,那么背包容量不变,从dp[i - 1] [j]状态而来
  • 放第 i 件物品,那么就会从dp[i - 1] [j - weight[i]]状态而来,因为至少得有足够的空间将物品放进去才行。

所以递归公式: dp[i] [j] = max(dp[i - 1] [j], dp[i - 1] [j - weight[i]] + value[i]);

3 - 初始化dp数组:如果是01背包的话,背包容量如果为零,那么价值也一定为零。而能放入第一件物品的时候,就是其对应的价值。

动态规划-背包问题3

4 - 遍历顺序:这一步比较重要,在初期理解01背包的时候会显得有一点难以理解。但总归记住,就是一个二维数组,和之前的题目一样,先遍历物品再遍历背包容量(物品固定,尝试一点点把物品塞进去),和先遍历背包容量再遍历物品(背包容量固定,尝试能塞进去哪个)都是可以的。

从数组的角度考虑这一点也是可以的,根据递推公式,当前状态是从数组的左上角位置而来,只要保持是这个方向就可以了。就和我们之前求解路径问题时一样。

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5 - 举例推导

假设背包最大重量为4。

物品为:

重量 价值
物品0 1 15
物品1 3 20
物品2 4 30

那么数组的最终状态就如下图所示:

动态规划-背包问题4

关于01背包,也有使用一维数组,即滚动数组的方法。其核心思想是,如果不放物品,dp[j]其实就是自己本身,如果要放物品,那么dp[j] 就是考虑从一个能放下这个物品的背包,塞入该物品,即dp[j - weight[i]] + value[i]。

遍历顺序就是不能是从一个空背包开始放了,而是从一个满的背包里尝试取出某件物品,这样做是为了保证物品只被放入一次。这么做也是有现实依据的,就是先考虑所有能用得上的东西,再从这些物品里挑出来不是那么重要的物品。

我私认为,注重理论推导,就可以在后期的解题过程中方便不少,但是也不必过于纠结能否“记住理论”,还是要投入实际应用才能更好的理解理论。

接下来,进入解题过程。

416 分割等和子集 medium

给你一个 只包含正整数非空 数组 nums 。请你判断是否可以将这个数组分割成两个子集,使得两个子集的元素和相等。

为什么说动态规划难呢?我认为是不少时候压根意识不到该用动态规划求解问题。

关于这道题,首先要想到要对整个数组求和,如果和是奇数,咋分都分不出来。

如果是偶数,那么所有数之和的一半,就是我们期望的“背包最大容量”,剩下的事情就是把数字填进去就可以了,和01背包完全一样。

根据这个思想,代码如下:

bool canPartition(vector<int>& nums) {
    
    
    int sum = 0;
    for (int num: nums)
        sum += num;
    if (sum % 2 == 1) return false;
    int target = sum / 2;

    vector<int> dp(10001, 0); // 题目中给出数组长度最大是200,值最大是100,取总和的一半肯定够了
    // 我们采用先遍历数字的方式
    for (int i = 0; i < nums.size(); ++i) {
    
    
        for (int j = target; j >= nums[i]; --j) {
    
    
            dp[j] = max(dp[j], dp[j - nums[i]] + nums[i]);
        }
    }

    return dp[target] == target;
}

1049 最后一块石头的重量 II medium

有一堆石头,用整数数组 stones 表示。其中 stones[i] 表示第 i 块石头的重量。

每一回合,从中选出任意两块石头,然后将它们一起粉碎。假设石头的重量分别为 x 和 y,且 x <= y。那么粉碎的可能结果如下:

如果 x == y,那么两块石头都会被完全粉碎;
如果 x != y,那么重量为 x 的石头将会完全粉碎,而重量为 y 的石头新重量为 y-x。
最后,最多只会剩下一块 石头。返回此石头 最小的可能重量 。如果没有石头剩下,就返回 0。

实不相瞒,以我现在的水平,看到这道题,我还是想不到应该用动态规划来做,但是多少有点儿那个味儿了。

要使最后剩下的石块重量尽可能小,就需要能撞掉的石头尽可能多,所以这道题可以看成是背包容量为[总重量/2](向下取整),物品价值就是石头重量的0-1背包问题。

求解方式和上面的题几乎一模一样,代码如下:

int lastStoneWeightII(vector<int>& stones) {
    
    
    int totalWeight = 0;
    for (int stoneWeight: stones)
        totalWeight += stoneWeight;

    vector<int> dp(15001, 0);
    int target = totalWeight / 2;

    for (int i = 0; i < stones.size(); ++i) {
    
    
        for (int stonesWeight = target; stonesWeight >= stones[i]; --stonesWeight) {
    
    
            dp[stonesWeight] = max(dp[stonesWeight], dp[stonesWeight - stones[i]] + stones[i]);
        }
    }
    return totalWeight - 2 * dp[target];
}

说到这里,可能还是有人不太明白为什么能这么写,之所以要尽量的往总数量一半的背包里塞,就说明这些都是希望能尽量被撞掉的,可以证明,如果能达到一半的容量,那么其必然可以全部被撞掉,所以最后要减去2倍的dp[target]。

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