Backpack

Question

• lintcode: (92) Backpack

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.

题解1

本题是典型的01背包问题，每种类型的物品最多只能选择一件。参考前文 Knapsack 中总结的解法，这个题中可以将背包的 size 理解为传统背包中的重量；题目问的是能达到的最大 size, 故可将每个背包的 size 类比为传统背包中的价值。

考虑到数组索引从0开始，故定义状态bp[i + 1][j]为前 i 个物品中选出重量不超过j时总价值的最大值。状态转移方程则为分A[i] > j 与否两种情况考虑。初始化均为0，相当于没有放任何物品。

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];
    }
}
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源码分析

注意索引及初始化的值，尤其是 N 和 M 的区别，内循环处可等于 M。

复杂度分析

两重 for 循环，时间复杂度为 $$O(m \times n)$$, 二维矩阵的空间复杂度为 $$O(m \times n)$$, 一维矩阵的空间复杂度为 $$O(m)$$.

题解2

接下来看看 九章算法 的题解，这种解法感觉不是很直观，推荐使用题解1的解法。

1. 状态: result[i][S] 表示前i个物品，取出一些物品能否组成体积和为S的背包
2. 状态转移方程: $$f[i][S] = f[i-1][S-A[i]] or f[i-1][S]$$ (A[i]为第i个物品的大小)
   • 欲从前i个物品中取出一些组成体积和为S的背包，可从两个状态转换得到。
     1. $$f[i-1][S-A[i]]$$: 放入第i个物品，前 $$i-1$$ 个物品能否取出一些体积和为 $$S-A[i]$$ 的背包。
     2. $$f[i-1][S]$$: 不放入第i个物品，前 $$i-1$$ 个物品能否取出一些组成体积和为S的背包。
3. 状态初始化: $$f[1 \cdots n][0]=true; f[0][1 \cdots m]=false$$. 前1n个物品组成体积和为0的背包始终为真，其他情况为假。
4. 返回结果: 寻找使 $$f[n][S]$$ 值为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;
    }
};
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源码分析

1. 异常处理
2. 初始化结果矩阵，注意这里需要使用resize而不是reserve，否则可能会出现段错误
3. 实现状态转移逻辑，一定要分j < A[i - 1]与否来讨论
4. 返回结果，只需要比较result[N - 1][i - 1]的结果，返回true的最大值

状态转移逻辑中代码可以进一步简化，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;
                }
            }
        }
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考虑背包问题的核心——状态转移方程，如何优化此转移方程？原始方案中用到了二维矩阵来保存result，注意到result的第i行仅依赖于第i-1行的结果，那么能否用一维数组来代替这种隐含的关系呢？我们在内循环j处递减即可。如此即可避免result[i][S]的值由本轮result[i][S-A[i]]递推得到。

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;
    }
};
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复杂度分析

两重 for 循环，时间复杂度均为 $$O(m \times n)$$, 二维矩阵的空间复杂度为 $$O(m \times n)$$, 一维矩阵的空间复杂度为 $$O(m)$$.

Reference

• 《挑战程序设计竞赛》第二章
• Lintcode: Backpack - neverlandly - 博客园
• 九章算法 | 背包问题
• 崔添翼 § 翼若垂天之云 › 《背包问题九讲》2.0 alpha1