动态规划：最少硬币找零问题、01背包问题、完全背包问题

2023年11月8日 412次阅读 来源: 动态规划

题目一：01背包问题

一个背包总容量为V，现在有N个物品，第i个 物品体积为weight[i]，价值为value[i]，现在往背包里面装东西，怎么装能使背包的内物品价值最大？

题目二：完全背包问题

一个背包总容量为V，现在有N个物品，第i个 物品体积为weight[i]，价值为value[i]，每个物品都有无限多件，现在往背包里面装东西，怎么装能使背包的内物品价值最大？

题目三：最少硬币找零问题

给予不同面值的硬币若干种种（每种硬币个数无限多），如何用若干种硬币组合为某种面额的钱，使硬币的的个数最少？

在现实生活中，我们往往使用的是贪心算法，比如找零时需要13元，我们先找10元，再找2元，再找1元。如果我们的零钱可用的有1、2、5、9、10。我们找零18元时，贪心算法的策略是：10+5+2+1，四种，但是明明可以用两个9元的啊。这种问题一般使用动态规划来解决。

一、首先来看01背包问题

用一个数组f[i][j]表示，在只有i个物品，容量为j的情况下背包问题的最优解。第i个物品可以选择放进背包或者不放进背包（这也就是0和1），假设放进背包（前提是放得下），那么f[i][j]=f[i－1][j-weight[i]+value[i]；如果不放进背包，那么f[i][j]=f[i－1][j]。

这就得出了状态转移方程：

f[i][j]=max(f[i－1][j],f[i-1][j-weight[i]+value[i])

实现代码

#include<iostream>  
using namespace std;  
#define  V 1500  
unsigned int f[10][V];//全局变量，自动初始化为0  
unsigned int weight[10];  
unsigned int value[10];  
#define  max(x,y)   (x)>(y)?(x):(y)  
int main()  
{  
      
    int N,M;  
    cin>>N;//物品个数  
    cin>>M;//背包容量  
    for (int i=1;i<=N; i++)  
    {  
        cin>>weight[i]>>value[i];  
    }  
    for (int i=1; i<=N; i++)  
        for (int j=1; j<=M; j++)  
        {  
            if (weight[i]<=j)  
            {  
                f[i][j]=max(f[i-1][j],f[i-1][j-weight[i]]+value[i]);  
            }  
            else  
                f[i][j]=f[i-1][j];  
        }  
      
    cout<<f[N][M]<<endl;//输出最优解  
  
}

在hihocoder上面还讲到可以进一步优化内存使用。上面计算f[i][j]可以看出，在计算f[i][j]时只使用了f[i-1][0……j]，i-1没有变化，j是从0一直递增，因此可以用一个一维数组存储i-1时求得j对应的每个f[j]；然后求i时，利用i－1时的数组f[j]递推求得到i时f[j],数组复用同一个。再进一步思考，为了复用数组时不对数据产生污染，计算f[j]时应该从后往前算，即 j＝M……1

for i=1……N

for j=M……1

f[j]=max(f[j],f[j-weight[i]+value[i])

实现代码：

#include<iostream>  
using namespace std;  
#define  V 1500  
unsigned int f[V];//全局变量，自动初始化为0  
unsigned int weight[10];  
unsigned int value[10];  
#define  max(x,y)   (x)>(y)?(x):(y)  
int main()  
{  
      
    int N,M;  
    cin>>N;//物品个数  
    cin>>M;//背包容量  
    for (int i=1;i<=N; i++)  
    {  
        cin>>weight[i]>>value[i];  
    }  
    for (int i=1; i<=N; i++)  
        for (int j=M; j>=1; j--)  
        {  
            if (weight[i]<=j)  
            {  
                f[j]=max(f[j],f[j-weight[i]]+value[i]);  
            }             
        }  
      
    cout<<f[M]<<endl;//输出最优解  
  
}

二、完全背包问题 和 硬币找零问题

其实这个两个问题非常相似，都是物品数目无限多，一个是不超过某个重量值W求最大value，一个是要获得某个value，求最小重量(每个硬币可以看成是重量为1的物品)。

解法1:

（1）对于完全背包问题状态转移方程：

 f[i][j]=max(f[i－1][j-k*weight[i]+k*value[i])，其中0<=k<=j/weight[i]

可以理解为：j为背包可以容纳的重量，有i种物品时，向背包里添加第i种物品，第i种物品可以添加的个数范围是 0<=k<=j/weight[i]

（2）对于硬币找零问题状态转移方程：

f[i][j]=min(f[i－1][j-k*value[i]+k)，其中0<=k<=j/value[i]

可以理解为：j为需要找零多少元，有i种硬币，找零时选取第i种硬币，第i种硬币可以选取的枚数是 0<=k<=j/value[i]

注意：其实上面这种解法看来貌似没什么问题，但是上面的递归公式有冗余计算，例如下面两个式子: 
f[i][j]=max{ f[i−1,j− value(i)∗k] + value(i)∗k }, 0≤ k ≤ x/need(i)
f[i][j−value(i)]=max{ f[i−1][j− value(i)∗k] + value(i)∗k }, 1≤ k ≤ x/value(i)
在计算上面第一个式子时，又把第二个式子中大部分重新计算了一遍。 所以解法1并不高效，一般不会用。

解法2：

（1）对于完全背包问题状态转移方程：

f (j) = max{  f(j - weight[i]) ＋ value[i],  i = 0......N  ｝

可以理解为：j为背包可以容纳的重量，有N种物品，
对于每种物品假设至少包含一个，至于到底包含多少个我们并不关心。

（2）对于最少硬币找零问题状态转移方程：

f (j) = min{  f(j - coin[i]) ＋ 1,  i = 0......N  ｝

可以理解为：j为需要找零多少元，有N种硬币，对于每种硬币，我们可以依次假设f(i)中至少包含一个coin[j] (j=0, 1……N) ，然后得到所需的最少硬币是f(j- coin[i]) ＋ 1，最后再从这N次假设中选出最小的就是f(i)。

有人可能会有疑问，为什么只是假设存在一块硬币coin[j]，存在k块硬币难道不用考虑吗？假如f(i)真的包含多个coin[j]，我们只取一个coin[j]，那么剩下的几个coin[j]的最优组合肯定已经包含在 f(i – coin[j]) 里面了，我们根本不用关心它们。

[cpp] 
view plain
 copy

  1. #include<iostream>  
  2. using namespace std;  
  3. //money需要找零的钱  
  4. //coin可用的硬币  
  5. //硬币种类  
  6. void FindMin(int money,int *coin, int n)  
  7. {  
  8.     int *f =new int[money+1]();//存储1…money找零最少需要的硬币的个数  
  9.     int *coinValue=new int[money+1]();//最后加入的硬币，方便后面输出是哪几个硬币  
  10.     coinNum[0]=0;  
  11.   
  12.     for(int i=1; i<=money; i++)  
  13.     {  
  14.         int minNum=i;//表示i个1元硬币正好找零i元，这是一种找零的组合，并不是所有组合里面最少的，下面寻找最少值
  15.         int curMoney=0;//这次找零，在原来的基础上需要的硬币  
  16.         for (int j=0;j<n;j++)  
  17.         {  
  18.             if (i>=coin[j])//找零的钱大于这个硬币的面值  
  19.             {  
  20.                 if( f[i-coin[j]]+1<=minNum) {
  21.                     //在更新时，需要判断i-coin[j]是否能找的开，如果找不开，就不需要更新
  22.                     if (i-coin[j] == 0 || coinValue[i-coin[j]]!=0 )  
  23.                     {  
  24.                         minNum = f[i-coin[j]] + 1;//更新  
  25.                        curMoney = coin[j];//更新  
  26.                     }  
  27.                 }
  28.             }  
  29.         }  
  30.         f[i]=minNum;  
  31.         coinValue[i]=curMoney;  
  32.     }  
  33.   
  34.     //输出结果  
  35.     if(coinValue[money]==0)  
  36.         cout<<“找不开零钱”<<endl;  
  37.     else  
  38.     {  
  39.         cout<<“需要最少硬币个数为：”<<f[money]<<endl;  
  40.         cout<<“硬币分别为:”;  
  41.         while(money>0)  
  42.         {  
  43.             cout<<coinValue[money]<<“,”;  
  44.             money-=coinValue[money];  
  45.         }  
  46.     }  
  47.     delete []f;  
  48.     delete []coinValue;  
  49. }  
  50. int main()  
  51. {  
  52.     int Money=18;  
  53.     int coin[]={1,2,5,9,10};  
  54.     FindMin(Money,coin,5);  
  55.   
  56. }  

解法3: 上面的状态转移方程比较难以理解(不常用)，下面换一种更通用的状态方程

（1）对于完全背包问题状态转移方程：

 f[ i ] [ j ] = max( f[i－1][j],  f[ i ][ j- weight[i] ] + value[i] )   ，注意后面是f[i, j-weight[i]]，i 没有减1

可以理解为：j为背包可以容纳的重量，有i种物品时，对于第i种物品，要么取或者不取，
至于取多少个我们并不关心。

（2）对于硬币找零问题状态转移方程：

f[i][j]=min( f[i－1][ j ], f [i ] [ j - value[i] ] + 1)   ，注意后面是f[i, j-value[i]]，i 没有减1

可以理解为：j为需要找零多少元，有i种硬币，找零时对于第i种硬币，
我们只考虑取或者不取，至于取多少个我们并不关心！

两种边界情况说明一下：
（1）f[0][j]=Integer.MAXVALUE ，因为 对金额为 j 的钱找零，但是可以的硬币面值种类为0，这显然是无法做到的。其实这是一个”未定义“的状态。它之所以初始为Integer.MAXVALUE
（2）f[i][0]=0，因为，对金额为0的钱找零，可用来找零的硬币种类有 i 种，金额为0怎么找啊，故设置为0。

    /*
     * 
     * @param coinsValues 可用来找零的硬币 coinsValues.length是硬币的种类
     * @param n 待找的零钱
     * @return 最少硬币数目
     */
    public static int charge(int[] coinsValues, int n){
        int[][] c = new int[coinsValues.length + 1][n + 1];
        
        // 初始化边界条件
        for(int i = 0; i <= coinsValues.length; i++) ｛
            c[i][0] = 0;
        ｝
        for(int i = 0; i <= n; i++)｛
            c[0][i] = Integer.MAX_VALUE;
        ｝
        
        for(int i = 1; i<=coinsValues.length; i++){ //i表示参加找零的硬币的种类1~i种硬币
            for(int j = 1; j <= n; j++){//j表示需要找零的钱数
                if(j < coinsValues[i-1]){
                    c[i][j] = c[i - 1][j];
                    continue;
                }
                
                //每个问题的选择数目---选其中较小的
                if(c[i - 1][j] < (c[i][j - coinsValues[i-1]] +1)) {
                    c[i][j] = c[i - 1][j];
                } else {
                    c[i][j] = c[i][j - coinsValues[i-1]] +1;
                }
            }
        }

        return c[coinsValues.length][n];
    }






    原文作者：动态规划
    原文地址: https://blog.csdn.net/wangbaochu/article/details/53099953
    本文转自网络文章，转载此文章仅为分享知识，如有侵权，请联系博主进行删除。
点赞