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14.4.   0-1 背包问题

背包问题是一个非常好的动态规划入门题目，是动态规划中最常见的问题形式。其具有很多变种，例如 0-1 背包问题、完全背包问题、多重背包问题等。

在本节中，我们先来学习基础的的 0-1 背包问题。

Question

给定 \(n\) 个物品，第 \(i\) 个物品的重量为 \(wgt[i-1]\) 、价值为 \(val[i-1]\) ，现在有个容量为 \(cap\) 的背包，每个物品只能选择一次，问在不超过背包容量下背包中物品的最大价值。

请注意，物品编号 \(i\) 从 \(1\) 开始计数，数组索引从 \(0\) 开始计数，因此物品 \(i\) 对应重量 \(wgt[i-1]\) 和价值 \(val[i-1]\) 。

下图给出了一个 0-1 背包的示例数据，背包内的最大价值为 \(220\) 。

0-1 背包的示例数据

Fig. 0-1 背包的示例数据

我们可以将 0-1 背包问题看作是一个由 \(n\) 轮决策组成的过程，每个物体都有不放入和放入两种决策，因此该问题是满足决策树模型的。此外，该问题的目标是求解“在限定背包容量下的最大价值”，因此较大概率是个动态规划问题。我们接下来尝试求解它。

第一步：思考每轮的决策，定义状态，从而得到 \(dp\) 表

在 0-1 背包问题中，不放入背包，背包容量不变；放入背包，背包容量减小。由此可得状态定义：当前物品编号 \(i\) 和剩余背包容量 \(c\) ，记为 \([i, c]\) 。

状态 \([i, c]\) 对应的子问题为：前 \(i\) 个物品在剩余容量为 \(c\) 的背包中的最大价值，记为 \(dp[i, c]\) 。

需要求解的是 \(dp[n, cap]\) ，因此需要一个尺寸为 \((n+1) \times (cap+1)\) 的二维 \(dp\) 表。

第二步：找出最优子结构，进而推导出状态转移方程

当我们做出物品 \(i\) 的决策后，剩余的是前 \(i-1\) 个物品的决策。因此，状态转移分为两种情况：

  • 不放入物品 \(i\) ：背包容量不变，状态转移至 \([i-1, c]\) ；
  • 放入物品 \(i\) ：背包容量减小 \(wgt[i-1]\) ，价值增加 \(val[i-1]\) ，状态转移至 \([i-1, c-wgt[i-1]]\) ；

上述的状态转移向我们揭示了本题的最优子结构：最大价值 \(dp[i, c]\) 等于不放入物品 \(i\) 和放入物品 \(i\) 两种方案中的价值更大的那一个。由此可推出状态转移方程：

\[ dp[i, c] = \max(dp[i-1, c], dp[i-1, c - wgt[i-1]] + val[i-1]) \]

需要注意的是，若当前物品重量 \(wgt[i - 1]\) 超出剩余背包容量 \(c\) ，则只能选择不放入背包。

第三步：确定边界条件和状态转移顺序

当无物品或无剩余背包容量时最大价值为 \(0\) ，即所有 \(dp[i, 0]\) 和 \(dp[0, c]\) 都等于 \(0\) 。

当前状态 \([i, c]\) 从上方的状态 \([i-1, c]\) 和左上方的状态 \([i-1, c-wgt[i-1]]\) 转移而来，因此通过两层循环正序遍历整个 \(dp\) 表即可。

Tip

完成以上三步后，我们可以直接实现从底至顶的动态规划解法。而为了展示本题包含的重叠子问题，本文也同时给出从顶至底的暴力搜索和记忆化搜索解法。

14.4.1.   方法一：暴力搜索

搜索代码包含以下要素：

  • 递归参数：状态 \([i, c]\) ；返回值：子问题的解 \(dp[i, c]\) 。
  • 终止条件：当物品编号越界 \(i = 0\) 或背包剩余容量为 \(0\) 时，终止递归并返回价值 \(0\) 。
  • 剪枝：若当前物品重量超出背包剩余容量，则只能不放入背包。
knapsack.java
/* 0-1 背包：暴力搜索 */
int knapsackDFS(int[] wgt, int[] val, int i, int c) {
    // 若已选完所有物品或背包无容量，则返回价值 0
    if (i == 0 || c == 0) {
        return 0;
    }
    // 若超过背包容量，则只能不放入背包
    if (wgt[i - 1] > c) {
        return knapsackDFS(wgt, val, i - 1, c);
    }
    // 计算不放入和放入物品 i 的最大价值
    int no = knapsackDFS(wgt, val, i - 1, c);
    int yes = knapsackDFS(wgt, val, i - 1, c - wgt[i - 1]) + val[i - 1];
    // 返回两种方案中价值更大的那一个
    return Math.max(no, yes);
}
knapsack.cpp
/* 0-1 背包：暴力搜索 */
int knapsackDFS(vector<int> &wgt, vector<int> &val, int i, int c) {
    // 若已选完所有物品或背包无容量，则返回价值 0
    if (i == 0 || c == 0) {
        return 0;
    }
    // 若超过背包容量，则只能不放入背包
    if (wgt[i - 1] > c) {
        return knapsackDFS(wgt, val, i - 1, c);
    }
    // 计算不放入和放入物品 i 的最大价值
    int no = knapsackDFS(wgt, val, i - 1, c);
    int yes = knapsackDFS(wgt, val, i - 1, c - wgt[i - 1]) + val[i - 1];
    // 返回两种方案中价值更大的那一个
    return max(no, yes);
}
knapsack.py
def knapsack_dfs(wgt: list[int], val: list[int], i: int, c: int) -> int:
    """0-1 背包：暴力搜索"""
    # 若已选完所有物品或背包无容量，则返回价值 0
    if i == 0 or c == 0:
        return 0
    # 若超过背包容量，则只能不放入背包
    if wgt[i - 1] > c:
        return knapsack_dfs(wgt, val, i - 1, c)
    # 计算不放入和放入物品 i 的最大价值
    no = knapsack_dfs(wgt, val, i - 1, c)
    yes = knapsack_dfs(wgt, val, i - 1, c - wgt[i - 1]) + val[i - 1]
    # 返回两种方案中价值更大的那一个
    return max(no, yes)
knapsack.go
[class]{}-[func]{knapsackDFS}
knapsack.js
[class]{}-[func]{knapsackDFS}
knapsack.ts
[class]{}-[func]{knapsackDFS}
knapsack.c
[class]{}-[func]{knapsackDFS}
knapsack.cs
/* 0-1 背包：暴力搜索 */
int knapsackDFS(int[] weight, int[] val, int i, int c) {
    // 若已选完所有物品或背包无容量，则返回价值 0
    if (i == 0 || c == 0) {
        return 0;
    }
    // 若超过背包容量，则只能不放入背包
    if (weight[i - 1] > c) {
        return knapsackDFS(weight, val, i - 1, c);
    }
    // 计算不放入和放入物品 i 的最大价值
    int no = knapsackDFS(weight, val, i - 1, c);
    int yes = knapsackDFS(weight, val, i - 1, c - weight[i - 1]) + val[i - 1];
    // 返回两种方案中价值更大的那一个
    return Math.Max(no, yes);
}
knapsack.swift
[class]{}-[func]{knapsackDFS}
knapsack.zig
// 0-1 背包：暴力搜索
fn knapsackDFS(wgt: []i32, val: []i32, i: usize, c: usize) i32 {
    // 若已选完所有物品或背包无容量，则返回价值 0
    if (i == 0 or c == 0) {
        return 0;
    }
    // 若超过背包容量，则只能不放入背包
    if (wgt[i - 1] > c) {
        return knapsackDFS(wgt, val, i - 1, c);
    }
    // 计算不放入和放入物品 i 的最大价值
    var no = knapsackDFS(wgt, val, i - 1, c);
    var yes = knapsackDFS(wgt, val, i - 1, c - @as(usize, @intCast(wgt[i - 1]))) + val[i - 1];
    // 返回两种方案中价值更大的那一个
    return @max(no, yes);
}
knapsack.dart
[class]{}-[func]{knapsackDFS}

如下图所示，由于每个物品都会产生不选和选两条搜索分支，因此最差时间复杂度为 \(O(2^n)\) 。

观察递归树，容易发现其中存在一些「重叠子问题」，例如 \(dp[1, 10]\) 等。而当物品较多、背包容量较大，尤其是当相同重量的物品较多时，重叠子问题的数量将会大幅增多。

0-1 背包的暴力搜索递归树

Fig. 0-1 背包的暴力搜索递归树

14.4.2.   方法二：记忆化搜索

为了防止重复求解重叠子问题，我们借助一个记忆列表 mem 来记录子问题的解，其中 mem[i][c] 对应解 \(dp[i, c]\) 。

knapsack.java
/* 0-1 背包：记忆化搜索 */
int knapsackDFSMem(int[] wgt, int[] val, int[][] mem, int i, int c) {
    // 若已选完所有物品或背包无容量，则返回价值 0
    if (i == 0 || c == 0) {
        return 0;
    }
    // 若已有记录，则直接返回
    if (mem[i][c] != -1) {
        return mem[i][c];
    }
    // 若超过背包容量，则只能不放入背包
    if (wgt[i - 1] > c) {
        return knapsackDFSMem(wgt, val, mem, i - 1, c);
    }
    // 计算不放入和放入物品 i 的最大价值
    int no = knapsackDFSMem(wgt, val, mem, i - 1, c);
    int yes = knapsackDFSMem(wgt, val, mem, i - 1, c - wgt[i - 1]) + val[i - 1];
    // 记录并返回两种方案中价值更大的那一个
    mem[i][c] = Math.max(no, yes);
    return mem[i][c];
}
knapsack.cpp
/* 0-1 背包：记忆化搜索 */
int knapsackDFSMem(vector<int> &wgt, vector<int> &val, vector<vector<int>> &mem, int i, int c) {
    // 若已选完所有物品或背包无容量，则返回价值 0
    if (i == 0 || c == 0) {
        return 0;
    }
    // 若已有记录，则直接返回
    if (mem[i][c] != -1) {
        return mem[i][c];
    }
    // 若超过背包容量，则只能不放入背包
    if (wgt[i - 1] > c) {
        return knapsackDFSMem(wgt, val, mem, i - 1, c);
    }
    // 计算不放入和放入物品 i 的最大价值
    int no = knapsackDFSMem(wgt, val, mem, i - 1, c);
    int yes = knapsackDFSMem(wgt, val, mem, i - 1, c - wgt[i - 1]) + val[i - 1];
    // 记录并返回两种方案中价值更大的那一个
    mem[i][c] = max(no, yes);
    return mem[i][c];
}
knapsack.py
def knapsack_dfs_mem(
    wgt: list[int], val: list[int], mem: list[list[int]], i: int, c: int
) -> int:
    """0-1 背包：记忆化搜索"""
    # 若已选完所有物品或背包无容量，则返回价值 0
    if i == 0 or c == 0:
        return 0
    # 若已有记录，则直接返回
    if mem[i][c] != -1:
        return mem[i][c]
    # 若超过背包容量，则只能不放入背包
    if wgt[i - 1] > c:
        return knapsack_dfs_mem(wgt, val, mem, i - 1, c)
    # 计算不放入和放入物品 i 的最大价值
    no = knapsack_dfs_mem(wgt, val, mem, i - 1, c)
    yes = knapsack_dfs_mem(wgt, val, mem, i - 1, c - wgt[i - 1]) + val[i - 1]
    # 记录并返回两种方案中价值更大的那一个
    mem[i][c] = max(no, yes)
    return mem[i][c]
knapsack.go
[class]{}-[func]{knapsackDFSMem}
knapsack.js
[class]{}-[func]{knapsackDFSMem}
knapsack.ts
[class]{}-[func]{knapsackDFSMem}
knapsack.c
[class]{}-[func]{knapsackDFSMem}
knapsack.cs
/* 0-1 背包：记忆化搜索 */
int knapsackDFSMem(int[] weight, int[] val, int[][] mem, int i, int c) {
    // 若已选完所有物品或背包无容量，则返回价值 0
    if (i == 0 || c == 0) {
        return 0;
    }
    // 若已有记录，则直接返回
    if (mem[i][c] != -1) {
        return mem[i][c];
    }
    // 若超过背包容量，则只能不放入背包
    if (weight[i - 1] > c) {
        return knapsackDFSMem(weight, val, mem, i - 1, c);
    }
    // 计算不放入和放入物品 i 的最大价值
    int no = knapsackDFSMem(weight, val, mem, i - 1, c);
    int yes = knapsackDFSMem(weight, val, mem, i - 1, c - weight[i - 1]) + val[i - 1];
    // 记录并返回两种方案中价值更大的那一个
    mem[i][c] = Math.Max(no, yes);
    return mem[i][c];
}
knapsack.swift
[class]{}-[func]{knapsackDFSMem}
knapsack.zig
// 0-1 背包：记忆化搜索
fn knapsackDFSMem(wgt: []i32, val: []i32, mem: anytype, i: usize, c: usize) i32 {
    // 若已选完所有物品或背包无容量，则返回价值 0
    if (i == 0 or c == 0) {
        return 0;
    }
    // 若已有记录，则直接返回
    if (mem[i][c] != -1) {
        return mem[i][c];
    }
    // 若超过背包容量，则只能不放入背包
    if (wgt[i - 1] > c) {
        return knapsackDFSMem(wgt, val, mem, i - 1, c);
    }
    // 计算不放入和放入物品 i 的最大价值
    var no = knapsackDFSMem(wgt, val, mem, i - 1, c);
    var yes = knapsackDFSMem(wgt, val, mem, i - 1, c - @as(usize, @intCast(wgt[i - 1]))) + val[i - 1];
    // 记录并返回两种方案中价值更大的那一个
    mem[i][c] = @max(no, yes);
    return mem[i][c];
}
knapsack.dart
[class]{}-[func]{knapsackDFSMem}

引入记忆化之后，所有子问题都只被计算一次，因此时间复杂度取决于子问题数量，也就是 \(O(n \times cap)\) 。

0-1 背包的记忆化搜索递归树

Fig. 0-1 背包的记忆化搜索递归树

14.4.3.   方法三：动态规划

动态规划解法本质上就是在状态转移中填充 \(dp\) 表的过程，代码如下所示。

knapsack.java
/* 0-1 背包：动态规划 */
int knapsackDP(int[] wgt, int[] val, int cap) {
    int n = wgt.length;
    // 初始化 dp 表
    int[][] dp = new int[n + 1][cap + 1];
    // 状态转移
    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        for (int c = 1; c <= cap; c++) {
            if (wgt[i - 1] > c) {
                // 若超过背包容量，则不选物品 i
                dp[i][c] = dp[i - 1][c];
            } else {
                // 不选和选物品 i 这两种方案的较大值
                dp[i][c] = Math.max(dp[i - 1][c], dp[i - 1][c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]);
            }
        }
    }
    return dp[n][cap];
}
knapsack.cpp
/* 0-1 背包：动态规划 */
int knapsackDP(vector<int> &wgt, vector<int> &val, int cap) {
    int n = wgt.size();
    // 初始化 dp 表
    vector<vector<int>> dp(n + 1, vector<int>(cap + 1, 0));
    // 状态转移
    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        for (int c = 1; c <= cap; c++) {
            if (wgt[i - 1] > c) {
                // 若超过背包容量，则不选物品 i
                dp[i][c] = dp[i - 1][c];
            } else {
                // 不选和选物品 i 这两种方案的较大值
                dp[i][c] = max(dp[i - 1][c], dp[i - 1][c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]);
            }
        }
    }
    return dp[n][cap];
}
knapsack.py
def knapsack_dp(wgt: list[int], val: list[int], cap: int) -> int:
    """0-1 背包：动态规划"""
    n = len(wgt)
    # 初始化 dp 表
    dp = [[0] * (cap + 1) for _ in range(n + 1)]
    # 状态转移
    for i in range(1, n + 1):
        for c in range(1, cap + 1):
            if wgt[i - 1] > c:
                # 若超过背包容量，则不选物品 i
                dp[i][c] = dp[i - 1][c]
            else:
                # 不选和选物品 i 这两种方案的较大值
                dp[i][c] = max(dp[i - 1][c], dp[i - 1][c - wgt[i - 1]] + val[i - 1])
    return dp[n][cap]
knapsack.go
[class]{}-[func]{knapsackDP}
knapsack.js
[class]{}-[func]{knapsackDP}
knapsack.ts
[class]{}-[func]{knapsackDP}
knapsack.c
[class]{}-[func]{knapsackDP}
knapsack.cs
/* 0-1 背包：动态规划 */
int knapsackDP(int[] weight, int[] val, int cap) {
    int n = weight.Length;
    // 初始化 dp 表
    int[,] dp = new int[n + 1, cap + 1];
    // 状态转移
    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        for (int c = 1; c <= cap; c++) {
            if (weight[i - 1] > c) {
                // 若超过背包容量，则不选物品 i
                dp[i, c] = dp[i - 1, c];
            } else {
                // 不选和选物品 i 这两种方案的较大值
                dp[i, c] = Math.Max(dp[i - 1, c - weight[i - 1]] + val[i - 1], dp[i - 1, c]);
            }
        }
    }
    return dp[n, cap];
}
knapsack.swift
[class]{}-[func]{knapsackDP}
knapsack.zig
// 0-1 背包：动态规划
fn knapsackDP(comptime wgt: []i32, val: []i32, comptime cap: usize) i32 {
    comptime var n = wgt.len;
    // 初始化 dp 表
    var dp = [_][cap + 1]i32{[_]i32{0} ** (cap + 1)} ** (n + 1);
    // 状态转移
    for (1..n + 1) |i| {
        for (1..cap + 1) |c| {
            if (wgt[i - 1] > c) {
                // 若超过背包容量，则不选物品 i
                dp[i][c] = dp[i - 1][c];
            } else {
                // 不选和选物品 i 这两种方案的较大值
                dp[i][c] = @max(dp[i - 1][c], dp[i - 1][c - @as(usize, @intCast(wgt[i - 1]))] + val[i - 1]);
            }
        }
    }
    return dp[n][cap];
}
knapsack.dart
[class]{}-[func]{knapsackDP}

如下图所示，时间复杂度由数组 dp 大小决定，为 \(O(n \times cap)\) 。

0-1 背包的动态规划过程

knapsack_dp_step2

knapsack_dp_step3

knapsack_dp_step4

knapsack_dp_step5

knapsack_dp_step6

knapsack_dp_step7

knapsack_dp_step8

knapsack_dp_step9

knapsack_dp_step10

knapsack_dp_step11

knapsack_dp_step12

knapsack_dp_step13

knapsack_dp_step14

最后考虑状态压缩。以上代码中的数组 dp 占用 \(O(n \times cap)\) 空间。由于每个状态都只与其上一行的状态有关，因此我们可以使用两个数组滚动前进，将空间复杂度从 \(O(n^2)\) 将低至 \(O(n)\) 。代码省略，有兴趣的同学可以自行实现。

那么，我们是否可以仅用一个数组实现状态压缩呢？观察可知，每个状态都是由正上方或左上方的格子转移过来的。假设只有一个数组，当遍历到第 \(i\) 行时，该数组存储的仍然是第 \(i-1\) 行的状态，为了避免左方区域的格子在状态转移中被覆盖，应该采取倒序遍历。

以下动画展示了在单个数组下从第 \(i=1\) 行转换至第 \(i=2\) 行的过程。建议你思考一下正序遍历和倒序遍历的区别。

0-1 背包的状态压缩后的动态规划过程

knapsack_dp_comp_step2

knapsack_dp_comp_step3

knapsack_dp_comp_step4

knapsack_dp_comp_step5

knapsack_dp_comp_step6

如以下代码所示，我们仅需将数组 dp 的第一维 \(i\) 直接删除，并且将内循环修改为倒序遍历即可。

knapsack.java
/* 0-1 背包：状态压缩后的动态规划 */
int knapsackDPComp(int[] wgt, int[] val, int cap) {
    int n = wgt.length;
    // 初始化 dp 表
    int[] dp = new int[cap + 1];
    // 状态转移
    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        // 倒序遍历
        for (int c = cap; c >= 1; c--) {
            if (wgt[i - 1] <= c) {
                // 不选和选物品 i 这两种方案的较大值
                dp[c] = Math.max(dp[c], dp[c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]);
            }
        }
    }
    return dp[cap];
}
knapsack.cpp
/* 0-1 背包：状态压缩后的动态规划 */
int knapsackDPComp(vector<int> &wgt, vector<int> &val, int cap) {
    int n = wgt.size();
    // 初始化 dp 表
    vector<int> dp(cap + 1, 0);
    // 状态转移
    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        // 倒序遍历
        for (int c = cap; c >= 1; c--) {
            if (wgt[i - 1] <= c) {
                // 不选和选物品 i 这两种方案的较大值
                dp[c] = max(dp[c], dp[c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]);
            }
        }
    }
    return dp[cap];
}
knapsack.py
def knapsack_dp_comp(wgt: list[int], val: list[int], cap: int) -> int:
    """0-1 背包：状态压缩后的动态规划"""
    n = len(wgt)
    # 初始化 dp 表
    dp = [0] * (cap + 1)
    # 状态转移
    for i in range(1, n + 1):
        # 倒序遍历
        for c in range(cap, 0, -1):
            if wgt[i - 1] > c:
                # 若超过背包容量，则不选物品 i
                dp[c] = dp[c]
            else:
                # 不选和选物品 i 这两种方案的较大值
                dp[c] = max(dp[c], dp[c - wgt[i - 1]] + val[i - 1])
    return dp[cap]
knapsack.go
[class]{}-[func]{knapsackDPComp}
knapsack.js
[class]{}-[func]{knapsackDPComp}
knapsack.ts
[class]{}-[func]{knapsackDPComp}
knapsack.c
[class]{}-[func]{knapsackDPComp}
knapsack.cs
/* 0-1 背包：状态压缩后的动态规划 */
int knapsackDPComp(int[] weight, int[] val, int cap) {
    int n = weight.Length;
    // 初始化 dp 表
    int[] dp = new int[cap + 1];
    // 状态转移
    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        // 倒序遍历
        for (int c = cap; c > 0; c--) {
            if (weight[i - 1] > c) {
                // 若超过背包容量，则不选物品 i
                dp[c] = dp[c];
            } else {
                // 不选和选物品 i 这两种方案的较大值
                dp[c] = Math.Max(dp[c], dp[c - weight[i - 1]] + val[i - 1]);
            }
        }
    }
    return dp[cap];
}
knapsack.swift
[class]{}-[func]{knapsackDPComp}
knapsack.zig
// 0-1 背包：状态压缩后的动态规划
fn knapsackDPComp(wgt: []i32, val: []i32, comptime cap: usize) i32 {
    var n = wgt.len;
    // 初始化 dp 表
    var dp = [_]i32{0} ** (cap + 1);
    // 状态转移
    for (1..n + 1) |i| {
        // 倒序遍历
        var c = cap;
        while (c > 0) : (c -= 1) {
            if (wgt[i - 1] < c) {
                // 不选和选物品 i 这两种方案的较大值
                dp[c] = @max(dp[c], dp[c - @as(usize, @intCast(wgt[i - 1]))] + val[i - 1]);
            }
        }
    }
    return dp[cap];
}
knapsack.dart
[class]{}-[func]{knapsackDPComp}

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