【动态规划/背包问题】背包问题第一阶段最终章：混合背包问题
【动态规划/背包问题】背包问题第一阶段最终章：混合背包问题
前言
今天是我们讲解 动态规划专题 中的「背包问题」的第十一篇。
今天将会学习「混合背包」问题，同时也是我们「背包问题」的第一阶段的最后一节。
今天首先会和大家回顾之前学过的三种背包问题。
然后通过一道「混合背包」问题，来将我们之前学的几种背包问题串联起来。
希望通过本篇内容，大家会对背包问题有更清晰的认识。
另外，我在文章结尾处列举了我所整理的关于背包问题的相关题目。
背包问题我会按照编排好的顺序进行讲解（每隔几天更新一篇，确保大家消化）。
你也先可以尝试做做，也欢迎你向我留言补充，你觉得与背包相关的 DP 类型题目 ~
回顾三种传统背包问题
前面我们已经学完了三种传统背包问题了。
这里再回顾一下三种传统背包：
- 01 背包：强调每件物品「只能选择一次」。对其进行「一维空间优化」并不能降低时间复杂度，进行「一维空间优化」时要求「容量维度“从大到小”进行遍历」。
- 完全背包：强调每件物品「可以选择无限次」。对其进行「一维空间优化」具有数学意义，可以将时间复杂度从
降低到
，进行「一维空间优化」时要求「容量维度“从小到大”进行遍历」。
三种背包问题的「难易程度」是「递增」，但「重要程度」则是「递减」 的。
虽然「多重背包」的 二进制优化 和 单调队列优化 都比较 trick。
但其实「多重背包」并没有这么常见，以至于在 LeetCode 上我都没找到与「多重背包」相关的题目。
同时三种背包问题都有「不超过」和「恰好」两种状态定义。
这两种状态定义只在「初始化」上有区别。
至于该如何初始化则要抓住 什么样的状态是合法的 ：
- 对于「不超过」的状态定义：
均为合法值
。 代表不考虑任何物品，背包容量「不超过
」的所取得的最大价值为
。
- 对于「恰好」的状态定义：
中只有
为合法值
，其他值均为“无效值”。 代表不考虑任何物品，只有背包容量「恰好为
」时所取得的最大价值为
；其他容量「恰好为非
」是无法取得有效价值的（因为不考虑任何物品）。
总的来说，三种背包问题都很经典（本质上都是组合优化问题），以至于「背包问题」直接成为了一类的动态规划模型。
我的建议是三种背包都需要掌握。但如果实在要分侧重点的话，我更愿意你将大多数时间花在「01 背包」和「完全背包」上。
混合背包
给定物品数量
和背包容量
。第
件物品的体积是
，价值是
，可用数量为
：
- 当
为
代表是该物品只能用一次
- 当
为
代表该物品可以使用无限次
- 当
为任意正整数则代表可用
次
求解将哪些物品装入背包可使这些物品的费用总和不超过背包容量，且价值总和最大。
基本分析
混合背包其实就是综合了「01 背包」、「完全背包」和「多重背包」三种传统背包问题。
我们知道在一维空间优化方式中「01 背包」将当前容量
按照“从大到小”进行遍历，而「完全背包」则是将当前容量
按照“从小到大”进行遍历。
同时「多重背包」可以通过「二进制优化」彻底转移成「01 背包」。
所以我们只需要根据第
个物品是「01 背包」物品还是「完全背包」物品，选择不同的遍历顺序即可。
代码：
class Solution {
public int maxValue(int N, int C, int[] w, int[] v, int[] s) {
// 构造出物品的「价值」和「体积」列表
List<Integer> worth = new ArrayList<>();
List<Integer> volume = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < N; i++) {
int type = s[i];
// 多重背包：应用「二进制优化」转换为 0-1 背包问题
if (type > 0) {
for (int k = 1; k <= type; k *= 2) {
type -= k;
worth.add(w[i] * k);
volume.add(v[i] * k);
}
if (type > 0) {
worth.add(w[i] * type);
volume.add(v[i] * type);
}
// 01 背包：直接添加
} else if (type == -1) {
worth.add(w[i]);
volume.add(v[i]);
// 完全背包：对 worth 做翻转进行标记
} else {
worth.add(-w[i]);
volume.add(v[i]);
}
}
// 使用「一维空间优化」方式求解三种背包问题
int[] dp = new int[C + 1];
for (int i = 0; i < worth.size(); i++) {
int wor = worth.get(i);
int vol = volume.get(i);
// 完全背包：容量「从小到大」进行遍历
if (wor < 0) {
for (int j = vol; j <= C; j++) {
// 同时记得将 worth 重新翻转为正整数
dp[j] = Math.max(dp[j], dp[j - vol] - wor);
}
// 01 背包：包括「原本的 01 背包」和「经过二进制优化的完全背包」
// 容量「从大到小」进行遍历
} else {
for (int j = C; j >= vol; j--) {
dp[j] = Math.max(dp[j], dp[j - vol] + wor);
}
}
}
return dp[C];
}
}
就这样我们解决了这个混合背包问题。
先将一个「多重背包」问题通过「二进制优化」的思路，转化为「01 背包」问题。
然后根据物品是属于「01 背包」还是「完全背包」决定容量
是"从大到小"还是"从小到大"进行推算。
换句话说就是根据物品的类型不同，选择不同的转移方式。
总结
今天我们在学习「混合背包」之前先梳理了前面学的三种传统背包问题。
三种传统背包的主要区别在于「物品可被选择的次数」，其中「01 背包」的一维空间的优化方式是其余背包问题的基础。
对于「完全背包」和「多重背包」而言，一个可以选择「任意个数的物品」，另外一个则存在「选择物品的上界」。
这导致这两种背包问题在转移某个
时，其实本质是分别在求「整个前缀的最值」和「滑动窗口的最值」。
这就意味着「完全背包」可以直接通过一维空间优化降低时间复杂度；而「多重背包」则要通过「二进制优化」（减少总的物品数量）或者「单调队列优化」（实现直接求得滑动窗口最值）来降低时间复杂度。
最后
到这一节结束，我们就已经完成「背包问题」的第一阶段的学习了 ? ?
接下来的「背包问题」更多的偏向于「多维」、「分组」、「有依赖」、「求方案数/具体方案」此类问题。
这类问题往往才是真正用来考察「背包思维」的题目，第一阶段的学习更多的是模板题，打基础用的。
继续加油吧 ~
另外，最近一段时间的公众号的更新频率确实下降了
不少同学通过各种渠道（LeetCode 评论区、知乎、公众号后台）催更 ...
但是我真的没有偷懒啦 ?
这就来跟大家分享最近在忙些什么：
- 首先肯定是忙工作啦
- 然后是正在将内容整理成排版和顺序都比较合理的 pdf ，后面会公开出来给大家下载
- 最后一个则是彩蛋预告：最近在和 LeetCode 策划合作出两本 LeetBook ? ? 目前已经接近尾声，到时仍然会以「免费 & 非会员」的形式提供给大家 ? 这样大家就能获得更好的学习体验啦 ~
敬请期待叭 ~
过了这一阵子后，公众号会恢复到「一周 3~4 篇」的更新频率滴 ~
背包问题（目录）
由于「背包问题」很多模板题在 LeetCode 上都没有模板题，同时公众号不能放外链，所以今晚建了一个背包仓库。
后面会给每篇文章配相应的原题地址，欢迎 mark ~
（持续更新）完整地址：https://github.com/SharingSource/Knapsack-Problem