AcWing 11. 背包问题求方案数

$AcWing$ $11$. 背包问题求方案数

一、题目描述

有 $N$ 件物品和一个容量是 $V$ 的背包。每件物品只能使用一次。

第 $i$ 件物品的体积是 $v_i$，价值是 $w_i$。

求解将哪些物品装入背包，可使这些物品的总体积不超过背包容量，且总价值最大。

输出 最优选法的方案数。注意答案可能很大，请输出答案模 $10^9+7$ 的结果。

输入格式

第一行两个整数，$N，V$，用空格隔开，分别表示物品数量和背包容积。

接下来有 $N$ 行，每行两个整数 $v_i,w_i$，用空格隔开，分别表示第 $i$ 件物品的体积和价值。

输出格式
输出一个整数，表示 方案数 模 $10^9+7$ 的结果。

数据范围
$0<N,V≤1000$
$0<v_i,w_i≤1000$

输入样例

4 5
1 2
2 4
3 4
4 6

输出样例：

2

二、题目解析

本题是 背包DP 中的经典题型 —— 【背包DP求最优方案总数】

$01$背包的转移方程$f[i,j] = max(f[i - 1,j],f[i - 1,j - v] + w)$

其中$g[i,j]$ 是 $f[i,j]$取最大值的方案数

若$f[i,j]$是从$f[i - 1,j]$转移过来的，则$g[i,j] = g[i - 1,j]$

若$f[i,j]$是从$f[i - 1,j - v] + w$转移过来的，则$g[i,j] = g[i - 1,j - v]$

若$f[i,j]$均能从$f[i - 1,j]$和$f[i - 1,j - v] + w$转移过来的，则$g[i,j] = g[i - 1,j] + g[i - 1,j - v]$

将所有的最大值所对应的 方案数累加 在一起，即为 方案数总和

不超过

初始值和结果的收集，都应该从实际意义出发，根据状态表示的定义不同，进行初始化和收集答案。

初始值

• 先考虑最特殊的$f[0]$,对应的二维表示就是$f[0][0]$,即：在前$0$个物品中选择，空间不超过$0$的情况下

  $f[0]$:在前$0$个物品中选择，空间最大是$0$，此时最大值是$0$，$g[0] = 1$，即此时方案数是$1$，什么都不能选，是唯一方案。

  f[0] = 0, g[0] = 1;
  

• 再来考虑$f[1],f[2],...f[m]$,对应的二维表示就是$f[0][1],f[0][2],f[0][3],...f[0][m]$,即：在前$0$个物品中选择，空间不超过$1,2,3,...m$的情况下
  $f[1]$:在前$0$个物品中选择，空间最多是$1$，最大值是$0$，方案数是$1$

  for (int i = 1; i <= m; i++) f[i] = 0, g[i] = 1; //默认体积最大为i时方案数为1
  

答案
因为本身定义就是 不超过$i$ 的体积下，所以$f[m]$就是最大值，$g[m]$就是最大值时的方案数量。

恰好

• 考虑最特殊的$f[0]$,对应的二维表示就是$f[0][0]$,即：在前$0$个物品中选择，空间恰好是$0$的情况下。

  $f[0]$:在前$0$个物品中选择，空间恰好是$0$，此时最大值是$0$，$g[0] = 1$，即此时方案数是$1$，什么都不能选，是唯一方案。

  f[0] = 0, g[0] = 1;
  

• 再来考虑$f[1],f[2],...f[m]$,对应的二维表示就是$f[0][1],f[0][2],f[0][3],...f[0][m]$,即：在前$0$个物品中选择，空间恰好是$1,2,3,...m$的情况下。
  $f[1]$:在前$0$个物品中选择，空间恰好是$1$，此时这是不可能满足条件的。最大值不存在，是不合法状态，同时，因为是预求最大，就设置成最小。$f[i]=-INF$.相应的，$g[i]=0;$

  for (int i = 1; i <= m; i++) f[i] = -INF, g[i] = 0;
  

  收集答案
  因为本身定义就是 恰好$i$ 的体积下，而最大值，未必就一定出现在 恰好 体积最大时，需要 枚举 一下所有空间，找出最大值，并且输出最大值对应方案数的 累加值。

  int mx = 0, res = 0;
  for (int i = 0; i <= m; i++) mx = max(mx, f[i]); //获取最大价值
  for (int i = 0; i <= m; i++)
      if (mx == f[i]) res = (res + g[i]) % MOD; //等于最大价值的方案都添加
  
  printf("%d\n", res);
  

三、空间最多为$i$的解法

二维写法

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

const int N = 1010, MOD = 1e9 + 7;
int f[N][N], g[N][N]; // f[j]、g[j]分别表示体积最大为j时的最大价值、方案数

int main() {
    int n, m;
    scanf("%d %d", &n, &m);

    // 初始化，两个二维表，第一列比较特殊，可以进行初始化
    // f[0][0],g[0][0]
    // 在前0个物品中选择，空间最多为0，只能什么也不选择，最大值f[0][0]=0,方案数：g[0][0]=1
    f[0][0] = 0, g[0][0] = 1;
    // f[0][1~m],g[0][1~m]
    // 在前0个物品中选择，空间最多为1~m,最大值肯定是0，因为没的选择嘛，对应的方案数也是1
    for (int i = 1; i <= m; i++) f[0][i] = 0, g[0][i] = 1;

    // 从第二列开始吧
    for (int i = 1; i <= n; i++) { // 枚举每个物品，理解为阶段
        int v, w;
        scanf("%d %d", &v, &w);
        for (int j = 0; j <= m; j++) {                   // 枚举当前阶段可能的剩余体积
            int val = f[i - 1][j];                       // 在没选择当前物品前的最大价值
            if (j >= v) {                                // 如果剩余体积可以装得下第i个阶段的物品,选择与否可能会影响最大价值
                if (val > f[i - 1][j - v] + w) {         // 如果选择了当前物品还不如不选
                    f[i][j] = val;                       // 那还是用原来的最大价值吧
                    g[i][j] = g[i - 1][j];               // 个数也随着迁移吧
                } else if (val == f[i - 1][j - v] + w) { // 如果一样的价值呢？那就需要累加了
                    f[i][j] = val;
                    g[i][j] = (g[i - 1][j] + g[i - 1][j - v]) % MOD;
                } else {                           // 如果可以理新呢？
                    f[i][j] = f[i - 1][j - v] + w; // 更新最大值
                    g[i][j] = g[i - 1][j - v];     // 同步更新方案数量
                }
            } else { // 如果装不上，只能继承
                f[i][j] = val;
                g[i][j] = g[i - 1][j];
            }
        }
    }

    printf("%d\n", g[n][m]);
    return 0;
}

一维写法

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int N = 1010;
const int MOD = 1e9 + 7;

int f[N], g[N];

int main() {
    int n, m;
    scanf("%d%d", &n, &m);

    f[0] = 0, g[0] = 1;

    for (int i = 1; i <= m; i++) f[i] = 0, g[i] = 1;

    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        int v, w;
        scanf("%d%d", &v, &w);
        for (int j = m; j >= v; j--) {
            int val = f[j - v] + w;
            if (val > f[j]) {
                f[j] = val;
                g[j] = g[j - v];
            } else if (val == f[j])
                g[j] = (g[j] + g[j - v]) % MOD;
        }
    }

    printf("%d", g[m]);
    return 0;
}

四、空间恰好为$i$的解法

一维写法

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int N = 1001;
const int MOD = 1e9 + 7;
const int INF = 0x3f3f3f3f;
int f[N], g[N]; // f[j]、g[j]分别表示体积恰好为j时的最大价值、方案数

int main() {
    int n, m;
    scanf("%d %d", &n, &m);

     // 1、考虑最特殊的f[0],对应的二维表示就是f[0][0],即：在前0个物品中选择，空间恰好是0的情况下。
    // f[0]:在前0个物品中选择，空间恰好是0，此时最大值是0，g[0] = 1，即此时方案数是1，什么都不能选，是唯一方案。
    f[0] = 0, g[0] = 1;

    //　2、再来考虑f[1],f[2],...f[m],对应的二维表示就是f[0][1],f[0][2],f[0][3],...f[0][m],即：在前0个物品中选择，空间恰好是1,2,3,...m的情况下。
    // f[1]:在前0个物品中选择，空间恰好是1，此时这是不可能满足条件的。最大值不存在，是不合法状态，同时，因为是预求最大，就设置成最小。f[i]=-INF.相应的，g[i]=0;
    for (int i = 1; i <= m; i++) f[i] = -INF, g[i] = 0;

    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        int v, w;
        scanf("%d %d", &v, &w);
        for (int j = m; j >= v; j--) {
            int s = 0;
            int t = max(f[j], f[j - v] + w);
            if (t == f[j])
                s = (s + g[j]) % MOD; //添加不更新的方案
            if (t == f[j - v] + w)
                s = (s + g[j - v]) % MOD; //添加更新的方案

            f[j] = t;
            g[j] = s;
        }
    }

    //由于定义的状态表示是“空间恰好是i”，那么最大值的产生，可不一定存储在“空间恰好是m”的状态下，m及以下的各个状态，都可能装着最大值，
    //我们遍历一次f数组，找出最大值，然后二次遍历f数组、g数组,累加可以获得最大值时的方案数量。
    int mx = 0, res = 0;
    for (int i = 0; i <= m; i++) mx = max(mx, f[i]); //获取最大价值
    for (int i = 0; i <= m; i++)
        if (mx == f[i]) res = (res + g[i]) % MOD; //等于最大价值的方案都添加

    printf("%d\n", res);
    return 0;
}

二维写法

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int MOD = 1e9 + 7;
const int INF = 0x3f3f3f3f;
const int N = 1010;
int f[N][N], g[N][N]; // f[j]、g[j]分别表示体积恰好为j时的最大价值、方案数
int res;

int main() {
    int n, m;
    scanf("%d %d", &n, &m);

    // f[0][0],g[0][0]
    // 在前0个物品中选择，空间恰好是0，最大值f[0][0]=0,g[0][0]=1;
    f[0][0] = 0, g[0][0] = 1;

    // f[0][1~m],g[0][1~m]
    //　在前0个物品中选择，空间恰好是1~m，这是胡说，是不可能的，最大值是f[0][i]=-INF,g[0][i]=0
    for (int i = 1; i <= m; i++) f[0][i] = -INF, g[0][i] = 0;

    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        int v, w;
        scanf("%d %d", &v, &w);
        for (int j = 0; j <= m; j++) {
            int val = f[i - 1][j];
            if (j >= v) {
                if (val > f[i - 1][j - v] + w) {
                    f[i][j] = val;
                    g[i][j] = g[i - 1][j];
                } else if (val == f[i - 1][j - v] + w) {
                    f[i][j] = val;
                    g[i][j] = (g[i - 1][j] + g[i - 1][j - v]) % MOD;
                } else {
                    f[i][j] = f[i - 1][j - v] + w;
                    g[i][j] = g[i - 1][j - v];
                }
            } else {
                f[i][j] = val;
                g[i][j] = g[i - 1][j];
            }
        }
    }
    //由于定义的状态表示是“空间恰好是i”，那么最大值的产生，可不一定存储在“空间恰好是m”的状态下，m及以下的各个状态，都可能装着最大值，
    //我们遍历一次f数组，找出最大值，然后二次遍历f数组、g数组,累加可以获得最大值时的方案数量。
    int mx = 0;
    for (int i = 0; i <= m; i++) mx = max(mx, f[n][i]);

    for (int i = 0; i <= m; i++)
        if (f[n][i] == mx) res = (res + g[n][i]) % MOD;

    printf("%d\n", res);
    return 0;
}