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backpack.md

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Backpack

Question

Problem Statement

Given n items with size $$A_i$$, an integer m denotes the size of a backpack. How full you can fill this backpack?

Example

If we have 4 items with size [2, 3, 5, 7], the backpack size is 11, we can select [2, 3, 5], so that the max size we can fill this backpack is 10. If the backpack size is 12. we can select [2, 3, 7] so that we can fulfill the backpack.

You function should return the max size we can fill in the given backpack.

Note

You can not divide any item into small pieces.

Challenge

O(n x m) time and O(m) memory.

O(n x m) memory is also acceptable if you do not know how to optimize memory.

題解1

本題是典型的01揹包問題，每種類型的物品最多只能選擇一件。參考前文 Knapsack 中總結的解法，這個題中可以將揹包的 size 理解爲傳統揹包中的重量；題目問的是能達到的最大 size, 故可將每個揹包的 size 類比爲傳統揹包中的價值。

考慮到數組索引從0開始，故定義狀態bp[i + 1][j]爲前 i 個物品中選出重量不超過j時總價值的最大值。狀態轉移方程則爲分A[i] > j 與否兩種情況考慮。初始化均爲0，相當於沒有放任何物品。

Java

public class Solution {
    /**
     * @param m: An integer m denotes the size of a backpack
     * @param A: Given n items with size A[i]
     * @return: The maximum size
     */
    public int backPack(int m, int[] A) {
        if (A == null || A.length == 0) return 0;

        final int M = m;
        final int N = A.length;
        int[][] bp = new int[N + 1][M + 1];

        for (int i = 0; i < N; i++) {
            for (int j = 0; j <= M; j++) {
                if (A[i] > j) {
                    bp[i + 1][j] = bp[i][j];
                } else {
                    bp[i + 1][j] = Math.max(bp[i][j], bp[i][j - A[i]] + A[i]);
                }
            }
        }

        return bp[N][M];
    }
}

源碼分析

注意索引及初始化的值，尤其是 N 和 M 的區別，內循環處可等於 M。

複雜度分析

兩重 for 循環，時間複雜度爲 $$O(m \times n)$$, 二維矩陣的空間複雜度爲 $$O(m \times n)$$, 一維矩陣的空間複雜度爲 $$O(m)$$.

題解2

接下來看看 九章算法 的題解，這種解法感覺不是很直觀，推薦使用題解1的解法。

  1. 狀態: result[i][S] 表示前i個物品，取出一些物品能否組成體積和爲S的揹包
  2. 狀態轉移方程: $$f[i][S] = f[i-1][S-A[i]] or f[i-1][S]$$ (A[i]爲第i個物品的大小)
    • 欲從前i個物品中取出一些組成體積和爲S的揹包，可從兩個狀態轉換得到。
      1. $$f[i-1][S-A[i]]$$: 放入第i個物品，前 $$i-1$$ 個物品能否取出一些體積和爲 $$S-A[i]$$ 的揹包。
      2. $$f[i-1][S]$$: 不放入第i個物品，前 $$i-1$$ 個物品能否取出一些組成體積和爲S的揹包。
  3. 狀態初始化: $$f[1 \cdots n][0]=true; f[0][1 \cdots m]=false$$. 前1n個物品組成體積和爲0的揹包始終爲真，其他情況爲假。
  4. 返回結果: 尋找使 $$f[n][S]$$ 值爲true的最大S ($$1 \leq S \leq m$$)

C++ - 2D vector

class Solution {
public:
    /**
     * @param m: An integer m denotes the size of a backpack
     * @param A: Given n items with size A[i]
     * @return: The maximum size
     */
    int backPack(int m, vector<int> A) {
        if (A.empty() || m < 1) {
            return 0;
        }

        const int N = A.size() + 1;
        const int M = m + 1;
        vector<vector<bool> > result;
        result.resize(N);
        for (vector<int>::size_type i = 0; i != N; ++i) {
            result[i].resize(M);
            std::fill(result[i].begin(), result[i].end(), false);
        }

        result[0][0] = true;
        for (int i = 1; i != N; ++i) {
            for (int j = 0; j != M; ++j) {
                if (j < A[i - 1]) {
                    result[i][j] = result[i - 1][j];
                } else {
                    result[i][j] = result[i - 1][j] || result[i - 1][j - A[i - 1]];
                }
            }
        }

        // return the largest i if true
        for (int i = M; i > 0; --i) {
            if (result[N - 1][i - 1]) {
                return (i - 1);
            }
        }
        return 0;
    }
};

源碼分析

  1. 異常處理
  2. 初始化結果矩陣，注意這裏需要使用resize而不是reserve，否則可能會出現段錯誤
  3. 實現狀態轉移邏輯，一定要分j < A[i - 1]與否來討論
  4. 返回結果，只需要比較result[N - 1][i - 1]的結果，返回true的最大值

狀態轉移邏輯中代碼可以進一步簡化，即：

        for (int i = 1; i != N; ++i) {
            for (int j = 0; j != M; ++j) {
                result[i][j] = result[i - 1][j];
                if (j >= A[i - 1] && result[i - 1][j - A[i - 1]]) {
                    result[i][j] = true;
                }
            }
        }

考慮揹包問題的核心——狀態轉移方程，如何優化此轉移方程？原始方案中用到了二維矩陣來保存result，注意到result的第i行僅依賴於第i-1行的結果，那麼能否用一維數組來代替這種隱含的關係呢？我們在內循環j處遞減即可。如此即可避免result[i][S]的值由本輪result[i][S-A[i]]遞推得到。

C++ - 1D vector

class Solution {
public:
    /**
     * @param m: An integer m denotes the size of a backpack
     * @param A: Given n items with size A[i]
     * @return: The maximum size
     */
    int backPack(int m, vector<int> A) {
        if (A.empty() || m < 1) {
            return 0;
        }

        const int N = A.size();
        vector<bool> result;
        result.resize(m + 1);
        std::fill(result.begin(), result.end(), false);

        result[0] = true;
        for (int i = 0; i != N; ++i) {
            for (int j = m; j >= 0; --j) {
                if (j >= A[i] && result[j - A[i]]) {
                    result[j] = true;
                }
            }
        }

        // return the largest i if true
        for (int i = m; i > 0; --i) {
            if (result[i]) {
                return i;
            }
        }
        return 0;
    }
};

複雜度分析

兩重 for 循環，時間複雜度均爲 $$O(m \times n)$$, 二維矩陣的空間複雜度爲 $$O(m \times n)$$, 一維矩陣的空間複雜度爲 $$O(m)$$.

Reference