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Mention figures and tables in normal texts.
Fix some figures. Finetune texts.
This commit is contained in:
@@ -1,16 +1,14 @@
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# 分数背包问题
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分数背包是 0-1 背包的一个变种问题。
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!!! question
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给定 $n$ 个物品,第 $i$ 个物品的重量为 $wgt[i-1]$ 、价值为 $val[i-1]$ ,和一个容量为 $cap$ 的背包。每个物品只能选择一次,**但可以选择物品的一部分,价值根据选择的重量比例计算**,问在不超过背包容量下背包中物品的最大价值。
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本题和 0-1 背包整体上非常相似,状态包含当前物品 $i$ 和容量 $c$ ,目标是求不超过背包容量下的最大价值。
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分数背包和 0-1 背包整体上非常相似,状态包含当前物品 $i$ 和容量 $c$ ,目标是求不超过背包容量下的最大价值。
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不同点在于,本题允许只选择物品的一部分,**这意味着可以对物品任意地进行切分,并按照重量比例来计算物品价值**,因此有:
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不同点在于,本题允许只选择物品的一部分。如下图所示,**我们可以对物品任意地进行切分,并按照重量比例来计算物品价值**。
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1. 对于物品 $i$ ,它在单位重量下的价值为 $val[i-1] / wgt[i-1]$ ,简称为单位价值。
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2. 假设放入一部分物品 $i$ ,重量为 $w$ ,则背包增加的价值为 $w \times val[i-1] / wgt[i-1]$ 。
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@@ -19,7 +17,7 @@
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### 贪心策略确定
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最大化背包内物品总价值,**本质上是要最大化单位重量下的物品价值**。由此便可推出本题的贪心策略:
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最大化背包内物品总价值,**本质上是要最大化单位重量下的物品价值**。由此便可推出下图所示的贪心策略:
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1. 将物品按照单位价值从高到低进行排序。
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2. 遍历所有物品,**每轮贪心地选择单位价值最高的物品**。
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@@ -139,8 +137,6 @@
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对于该解中的其他物品,我们也可以构建出上述矛盾。总而言之,**单位价值更大的物品总是更优选择**,这说明贪心策略是有效的。
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如下图所示,如果将物品重量和物品单位价值分别看作一个 2D 图表的横轴和纵轴,则分数背包问题可被转化为“求在有限横轴区间下的最大围成面积”。
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通过这个类比,我们可以从几何角度理解贪心策略的有效性。
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如下图所示,如果将物品重量和物品单位价值分别看作一个 2D 图表的横轴和纵轴,则分数背包问题可被转化为“求在有限横轴区间下的最大围成面积”。这个类比可以帮助我们从几何角度理解贪心策略的有效性。
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@@ -13,7 +13,7 @@
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给定 $n$ 种硬币,第 $i$ 种硬币的面值为 $coins[i - 1]$ ,目标金额为 $amt$ ,每种硬币可以重复选取,问能够凑出目标金额的最少硬币个数。如果无法凑出目标金额则返回 $-1$ 。
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这道题的贪心策略在生活中很常见:给定目标金额,**我们贪心地选择不大于且最接近它的硬币**,不断循环该步骤,直至凑出目标金额为止。
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本题的贪心策略如下图所示。给定目标金额,**我们贪心地选择不大于且最接近它的硬币**,不断循环该步骤,直至凑出目标金额为止。
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@@ -95,7 +95,7 @@
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**贪心算法不仅操作直接、实现简单,而且通常效率也很高**。在以上代码中,记硬币最小面值为 $\min(coins)$ ,则贪心选择最多循环 $amt / \min(coins)$ 次,时间复杂度为 $O(amt / \min(coins))$ 。这比动态规划解法的时间复杂度 $O(n \times amt)$ 提升了一个数量级。
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然而,**对于某些硬币面值组合,贪心算法并不能找到最优解**。我们来看几个例子:
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然而,**对于某些硬币面值组合,贪心算法并不能找到最优解**。下图给出了两个示例。
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- **正例 $coins = [1, 5, 10, 20, 50, 100]$**:在该硬币组合下,给定任意 $amt$ ,贪心算法都可以找出最优解。
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- **反例 $coins = [1, 20, 50]$**:假设 $amt = 60$ ,贪心算法只能找到 $50 + 1 \times 10$ 的兑换组合,共计 $11$ 枚硬币,但动态规划可以找到最优解 $20 + 20 + 20$ ,仅需 $3$ 枚硬币。
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@@ -26,18 +26,20 @@ $$
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我们发现,**如果此时将长板 $j$ 向短板 $i$ 靠近,则容量一定变小**。这是因为在移动长板 $j$ 后:
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如下图所示,**若此时将长板 $j$ 向短板 $i$ 靠近,则容量一定变小**。这是因为在移动长板 $j$ 后:
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- 宽度 $j-i$ 肯定变小。
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- 高度由短板决定,因此高度只可能不变( $i$ 仍为短板)或变小(移动后的 $j$ 成为短板)。
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反向思考,**我们只有向内收缩短板 $i$ ,才有可能使容量变大**。因为虽然宽度一定变小,**但高度可能会变大**(移动后的短板 $i$ 可能会变长)。
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反向思考,**我们只有向内收缩短板 $i$ ,才有可能使容量变大**。因为虽然宽度一定变小,**但高度可能会变大**(移动后的短板 $i$ 可能会变长)。例如在下图中,移动短板后面积变大。
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由此便可推出本题的贪心策略:
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由此便可推出本题的贪心策略:初始化两指针分裂容器两端,每轮向内收缩短板对应的指针,直至两指针相遇。
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下图展示了贪心策略的执行过程。
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1. 初始状态下,指针 $i$ , $j$ 分列与数组两端。
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2. 计算当前状态的容量 $cap[i, j]$ ,并更新最大容量。
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@@ -153,7 +155,7 @@ $$
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之所以贪心比穷举更快,是因为每轮的贪心选择都会“跳过”一些状态。
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比如在状态 $cap[i, j]$ 下,$i$ 为短板、$j$ 为长板。若贪心地将短板 $i$ 向内移动一格,会导致以下状态被“跳过”。**这意味着之后无法验证这些状态的容量大小**。
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比如在状态 $cap[i, j]$ 下,$i$ 为短板、$j$ 为长板。若贪心地将短板 $i$ 向内移动一格,会导致下图所示的状态被“跳过”。**这意味着之后无法验证这些状态的容量大小**。
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$$
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cap[i, i+1], cap[i, i+2], \dots, cap[i, j-2], cap[i, j-1]
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@@ -32,7 +32,7 @@ n & \geq 4
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\end{aligned}
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$$
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我们发现当 $n \geq 4$ 时,切分出一个 $2$ 后乘积会变大,**这说明大于等于 $4$ 的整数都应该被切分**。
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如下图所示,当 $n \geq 4$ 时,切分出一个 $2$ 后乘积会变大,**这说明大于等于 $4$ 的整数都应该被切分**。
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**贪心策略一**:如果切分方案中包含 $\geq 4$ 的因子,那么它就应该被继续切分。最终的切分方案只应出现 $1$ , $2$ , $3$ 这三种因子。
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@@ -40,7 +40,7 @@ $$
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接下来思考哪个因子是最优的。在 $1$ , $2$ , $3$ 这三个因子中,显然 $1$ 是最差的,因为 $1 \times (n-1) < n$ 恒成立,即切分出 $1$ 反而会导致乘积减小。
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我们发现,当 $n = 6$ 时,有 $3 \times 3 > 2 \times 2 \times 2$ 。**这意味着切分出 $3$ 比切分出 $2$ 更优**。
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如下图所示,当 $n = 6$ 时,有 $3 \times 3 > 2 \times 2 \times 2$ 。**这意味着切分出 $3$ 比切分出 $2$ 更优**。
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**贪心策略二**:在切分方案中,最多只应存在两个 $2$ 。因为三个 $2$ 总是可以被替换为两个 $3$ ,从而获得更大乘积。
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@@ -55,7 +55,7 @@ $$
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### 代码实现
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在代码中,我们无须通过循环来切分整数,而可以利用向下整除运算得到 $3$ 的个数 $a$ ,用取模运算得到余数 $b$ ,此时有:
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如下图所示,我们无须通过循环来切分整数,而可以利用向下整除运算得到 $3$ 的个数 $a$ ,用取模运算得到余数 $b$ ,此时有:
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$$
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n = 3 a + b
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@@ -137,7 +137,7 @@ $$
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**时间复杂度取决于编程语言的幂运算的实现方法**。以 Python 为例,常用的幂计算函数有三种:
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**时间复杂度取决于编程语言的幂运算的实现方法**。以 Python 为例,常用的幂计算函数有:
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- 运算符 `**` 和函数 `pow()` 的时间复杂度均为 $O(\log a)$ 。
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- 函数 `math.pow()` 内部调用 C 语言库的 `pow()` 函数,其执行浮点取幂,时间复杂度为 $O(1)$ 。
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Reference in New Issue
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