★★★★★背包问题——“01背包”"完全背包"详解及实现(包含背包中具体物品的求解)

来源:互联网 发布:在线网络测速器手机版 编辑:程序博客网 时间:2024/06/05 18:34

  01背包是在M件物品取出若干件放在空间为W的背包里,每件物品的体积为C1,C2,…,Cn,与之相对应的价值为W1,W2,…,Wn.求解将那些物品装入背包可使总价值最大。

        动态规划(DP):

        1) 子问题定义:F[i][j]表示前i件物品中选取若干件物品放入剩余空间为j的背包中所能得到的最大价值。

        2) 根据第i件物品放或不放进行决策

                                                  (1-1)

        其中F[i-1][j]表示前i-1件物品中选取若干件物品放入剩余空间为j的背包中所能得到的最大价值;

        而F[i-1][j-C[i]]+W[i]表示前i-1件物品中选取若干件物品放入剩余空间为j-C[i]的背包中所能取得的最大价值加上第i件物品的价值。

        根据第i件物品放或是不放确定遍历到第i件物品时的状态F[i][j]。

        设物品件数为N,背包容量为V,第i件物品体积为C[i],第i件物品价值为W[i]。

        由此写出伪代码如下:

[cpp] view plain copy
  1. F[0][] ← {0}  
  2.   
  3. F[][0] ← {0}  
  4.   
  5. for i←1 to N  
  6.   
  7.     do for k←1 to V  
  8.   
  9.         F[i][k] ← F[i-1][k]  
  10.   
  11.         if(k >= C[i])  
  12.   
  13.             then F[i][k] ← max(F[i][k],F[i-1][k-C[i]]+W[i])  
  14.   
  15. return F[N][V]  

        以上伪代码数组均为基于1索引,及第一件物品索引为1。时间及空间复杂度均为O(VN)

        举例:表1-1为一个背包问题数据表,设背包容量为10根据上述解决方法可得到对应的F[i][j]如表1-2所示,最大价值即为F[6][10].

表1-1背包问题数据表

物品号i123456体积C231465价值W5651197

 

表1-2前i件物品选若干件放入空间为j的背包中得到的最大价值表

 012345678910000000000000100555555555205661111111111111130551011111616161616405510111116161616175055101111192424293060551011111924242930

 

         很多文章讲背包问题时只是把最大价值求出来了,并没有把所选的是哪些物品找出来。本人在学习背包问题之前遇到过很多的类似问题,当时也是只求得了最大价值或最大和,对具体哪些物品或路径等细节也束手无策。再次和大家一起分享细节的求法。

        根据算法求出的最大价值表本身其实含有位置信息,从F[N][V]逆着走向F[0][0],设i=N,j=V,如果F[i][j]==F[i-1][j-C[i]]+W[i]说明包里面有第i件物品,同时j -= C[i],不管F[i][j]与F[i-1][j-C[i]]+W[i]相不相等i都要减1,因为01背包的第i件物品要么放要么不放,不管放还是不放其已经遍历过了,需要继续往下遍历。

打印背包内物品的伪代码如下:

[cpp] view plain copy
  1. i←N  
  2.   
  3. j←V  
  4.   
  5. while(i>0 && j>0)  
  6.   
  7.     do if(F[i][j]=F[i-1][j-C[i]]+W[i])  
  8.   
  9.         then Print W[i]  
  10.   
  11.              j←j-C[i]  
  12.   
  13.     i←i-1  

         当然也可以定义一个二维数组Path[N][V]来存放背包内物品信息,开始时Path[N][V]初始化为0,当 F[i][j]==F[i-1][j-C[i]]+W[i]时Path[i][j]置1。最后通过从Path[N+1][V+1]逆着走向Path[0][0]来获取背包内物品。其中Path[0][]与Path[][0]为边界。

        加入路径信息的伪代码如下:

[cpp] view plain copy
  1. F[0][] ← {0}  
  2.   
  3. F[][0] ← {0}  
  4.   
  5. Path[][] ← 0  
  6.   
  7. for i←1 to N  
  8.   
  9.     do for k←1 to V  
  10.   
  11.         F[i][k] ← F[i-1][k]  
  12.   
  13.         if(k >= C[i] && F[i][k] < F[i-1][k-C[i]]+W[i])  
  14.   
  15.             then F[i][k] ← F[i-1][k-C[i]]+W[i]  
  16.   
  17.                  Path[i][k] ← 1  
  18.   
  19. return F[N][V] and Path[][]  

 打印背包内物品的伪代码如下:

[cpp] view plain copy
  1. i←N  
  2.   
  3. j←V  
  4.   
  5. while(i>0 && j>0)  
  6.   
  7.     do if(Path[i][j] = 1)  
  8.   
  9.         then Print W[i]  
  10.   
  11.              j←j-C[i]  
  12.   
  13.     i←i-1  

    在时间及空间复杂度均为O(NV)的情况下,利用Path[][]的方法明显比直接通过F[i][j]==F[i-1][j-C[i]]+W[i]来打印物品耗费空间,Path[][]需要额外的空间O(NV)但总空间复杂度不变仍为O(NV)。但下面要讲到的O(V)的空间复杂度的方法却不能利用关系式F [j]==F [j-C[i]]+W[i]而只能利用Path[][]进行标记.

 

接下来考虑如何压缩空间,以降低空间复杂度。

时间复杂度为O(VN),空间复杂度将为O(V)

 

        观察伪代码可也发现,F[i][j]只与F[i-1][j]和F[i-1][j-C[i]]有关,即只和i-1时刻状态有关,所以我们只需要用一维数组F[]来保存i-1时的状态F[]。假设i-1时刻的F[]为{a0,a1,a2,…,av},难么i时刻的F[]中第k个应该为max(ak,ak-C[i]+W[i])即max(F[k],F[k-C[i]]+W[i]),这就需要我们遍历V时逆序遍历,这样才能保证求i时刻F[k]时F[k-C[i]]是i-1时刻的值。如果正序遍历则当求F[k]时其前面的F[0],F[1],…,F[K-1]都已经改变过,里面存的都不是i-1时刻的值,这样求F[k]时利用F[K-C[i]]必定是错的值。最后F[V]即为最大价值。

求F[j]的状态方程如下:

                                           (1-2)

伪代码如下:

[cpp] view plain copy
  1. F[] ← {0}  
  2.   
  3. for i ← 1 to N  
  4.   
  5.     do for k ← V to C[i]  
  6.   
  7.         F[k] ← max(F[k],F[k-C[i]]+W[i])  
  8.   
  9. return F[V]  


同样,怎么求路径?

        利用前面讲到的Path[][]标记,需空间消耗O(NV)。这里不能用F [j]==F [j-C[i]]+W[i]来判断是因为一维数组并不能提供足够的信息来寻找二维路径。

        加入路径信息的伪代码如下:

[cpp] view plain copy
  1. F[] ← {0}  
  2.   
  3. Path[][]←0  
  4.   
  5. for i←1 to N  
  6.   
  7.     do for k←V to C[i]  
  8.   
  9.        if(F[k] < F[k-C[i]]+W[i])  
  10.   
  11.             then F[k] ← F[k-C[i]]+W[i]  
  12.   
  13.                  Path[i][k] ← 1  
  14.   
  15. return F[V] and Path[][]  

打印路径的伪代码和前面未压缩空间复杂度时的伪代码一样,这里不再重写。

 

下面针对前面提到的表1-1提供两种方法的测试代码: 

[cpp] view plain copy
  1. #include <iostream>  
  2. #include <cstring>  
  3. #include "CreateArray.h"    //该头文件用于动态创建及销毁二维数组,读者自己实现  
  4. using namespace std;  


//时间复杂度O(VN),空间复杂度为O(VN)

[cpp] view plain copy
  1. int Package01(int Weight[], int Value[], int nLen, int nCapacity)  
  2. {  
  3.     int** Table = NULL;  
  4.     int** Path = NULL;  
  5.     CreateTwoDimArray(Table,nLen+1,nCapacity+1);    //创建二维数组  
  6.     CreateTwoDimArray(Path,nLen+1,nCapacity+1); //创建二维数组  
  7.       
  8.     for(int i = 1; i <= nLen; i++)  
  9.     {  
  10.         for(int j = 1; j <= nCapacity; j++)  
  11.         {  
  12.             Table[i][j] = Table[i-1][j];  
  13.             Path[i][j] = 0;  
  14.             if(j >= Weight[i-1] && Table[i][j] < Table[i-1][j-Weight[i-1]]+Value[i-1])  
  15.             {  
  16.                 Table[i][j] = Table[i-1][j-Weight[i-1]]+Value[i-1];  
  17.                 Path[i][j] = 1;  
  18.             }  
  19.         }  
  20.     }  
  21.   
  22.     int i = nLen, j = nCapacity;  
  23.     while(i > 0 && j > 0)  
  24.     {  
  25.         if(Path[i][j] == 1)  
  26.         {  
  27.             cout << Weight[i-1] << " ";  
  28.             j -= Weight[i-1];  
  29.         }  
  30.         i--;  
  31.     }  
  32.     cout << endl;  
  33.   
  34.     int nRet = Table[nLen][nCapacity];  
  35.     DestroyTwoDimArray(Table,nLen+1);   //销毁二维数组  
  36.     DestroyTwoDimArray(Path,nLen+1);    //销毁二维数组  
  37.     return nRet;  
  38. }  


//时间复杂度O(VN),不考虑路径空间复杂度为O(V),考虑路径空间复杂度为O(VN)

[cpp] view plain copy
  1. int Package01_Compress(int Weight[], int Value[], int nLen, int nCapacity)  
  2. {  
  3.     int * Table = new int [nCapacity+1];  
  4.     memset(Table,0,(nCapacity+1)*sizeof(int));  
  5.     int** Path = 0;  
  6.     CreateTwoDimArray(Path,nLen+1,nCapacity+1); //创建二维数组  
  7.   
  8.     for(int i = 0; i < nLen; i++)  
  9.     {  
  10.         for(int j = nCapacity; j >= Weight[i]; j--)  
  11.         {  
  12.             Path[i+1][j] = 0;  
  13.             if(Table[j] < Table[j-Weight[i]]+Value[i])  
  14.             {  
  15.                 Table[j] = Table[j-Weight[i]]+Value[i];  
  16.                 Path[i+1][j] = 1;  
  17.             }  
  18.         }     
  19.     }  
  20.   
  21.     int i = nLen, j = nCapacity;  
  22.     while(i > 0 && j > 0)  
  23.     {  
  24.         if(Path[i][j] == 1)  
  25.         {  
  26.             cout << Weight[i-1] << " ";  
  27.             j -= Weight[i-1];  
  28.         }  
  29.   
  30.         i--;  
  31.     }  
  32.     cout << endl;  
  33.       
  34.     int nRet = Table[nCapacity];  
  35.     DestroyTwoDimArray(Path,nLen+1);    //销毁二维数组  
  36.     delete [] Table;  
  37.     return nRet;  
  38. }  


测试代码

[cpp] view plain copy
  1. int main()  
  2. {  
  3.     int Weight[] = {2,3,1,4,6,5};  
  4.     int Value[] =  {5,6,5,1,19,7};  
  5.     int nCapacity = 10;  
  6.     cout << Package01(Weight,Value,sizeof(Weight)/sizeof(int),nCapacity) << endl;  
  7.     cout << Package01_Compress(Weight,Value,sizeof(Weight)/sizeof(int),nCapacity) << endl;  
  8.     return 0;  
  9. }  

 

==============================================================================================================















   完全背包是在N物品中选取若干件(同一种物品可多次选取)放在空间为V的背包里,每物品的体积为C1,C2,…,Cn,与之相对应的价值为W1,W2,…,Wn.求解怎么装物品可使背包里物品总价值最大。

动态规划(DP):

        1) 子问题定义:F[i][j]表示前i物品中选取若干件物品放入剩余空间为j的背包中所能得到的最大价值。

        2) 根据第i物品放多少件进行决策

                                     (2-1)

        其中F[i-1][j-K*C[i]]+K*W[i]表示前i-1物品中选取若干件物品放入剩余空间为j-K*C[i]的背包中所能得到的最大价值加上k件第i物品;

       设物品种数为N,背包容量为V,第i物品体积为C[i],第i物品价值为W[i]。

       与01背包相同,完全背包也需要求出NV个状态F[i][j]。但是完全背包求F[i][j]时需要对k分别取0,…,j/C[i]求最大F[i][j]值,耗时为j/C[i]。那么总的时间复杂度为O(NV∑(j/C[i]))

由此写出伪代码如下:

[cpp] view plain copy
  1. F[0][] ← {0}  
  2.   
  3. F[][0] ← {0}  
  4.   
  5. for i←1 to N  
  6.   
  7.     do for j←1 to V  
  8.   
  9.         do for k←0 to j/C[i]  
  10.   
  11.            if(j >= k*C[i])  
  12.   
  13.                 then F[i][k] ← max(F[i][k],F[i-1][j-k*C[i]]+k*W[i])  
  14.   
  15. return F[N][V]  

以上伪代码数组均为基于1索引,即第一件物品索引为1。空间复杂度O(VN)、时间复杂度为O(NV∑(j/C[i]))

        简单优化:

        若两件物品满足C[i] ≤C[j]&&W[i] ≥W[j]时将第j种物品直接筛选掉。因为第i种物品比第j种物品物美价廉,用i替换j得到至少不会更差的方案。

       这个筛选过程如下:先找出体积大于背包的物品直接筛掉一部分(也可能一种都筛不掉)复杂度O(N)。利用计数排序思想对剩下的物品体积进行排序,同时筛选出同体积且价值最大的物品留下,其余的都筛掉(这也可能一件都筛不掉)复杂度O(V)。整个过程时间复杂度为O(N+V)

 

       转化为01背包:

       因为同种物品可以多次选取,那么第i种物品最多可以选取V/C[i]件价值不变的物品,然后就转化为01背包问题。整个过程的时间复杂度并未减少。如果把第i种物品拆成体积为C[i]×2k价值W[i]×2k的物品,其中满足C[i]×2k≤V。那么在求状态F[i][j]时复杂度就变为O(log2(V/C[i]))。整个时间复杂度就变为O(NVlog2(V/C[i]))

 

时间复杂度优化为O(NV)

将原始算法的DP思想转变一下。

设F[i][j]表示出在前i种物品中选取若干件物品放入容量为j的背包所得的最大价值。那么对于第i种物品的出现,我们对第i种物品放不放入背包进行决策。如果不放那么F[i][j]=F[i-1][j];如果确定放,背包中应该出现至少一件第i种物品,所以F[i][j]种至少应该出现一件第i种物品,即F[i][j]=F[i][j-C[i]]+W[i]。为什么会是F[i][j-C[i]]+W[i]?因为F[i][j-C[i]]里面可能有第i种物品,也可能没有第i种物品。我们要确保F[i][j]至少有一件第i件物品,所以要预留C[i]的空间来存放一件第i种物品。

状态方程为:

                           (2-2)

伪代码为:

[cpp] view plain copy
  1. F[0][] ← {0}  
  2.   
  3. F[][0] ← {0}  
  4.   
  5. for i←1 to N  
  6.   
  7.     do for j←1 to V  
  8.   
  9.         F[i][j] ← F[i-1][j]  
  10.   
  11.         if(j >= C[i])  
  12.   
  13.             then F[i][j] ← max(F[i][j],F[i][j-C[i]]+ W[i])  
  14.   
  15. return F[N][V]  

        具体背包中放入那些物品的求法和01背包情况差不多,从F[N][V]逆着走向F[0][0],设i=N,j=V,如果F[i][j]==F[i][j-C[i]]+W[i]说明包里面有第i件物品,同时j -= C[i]。完全背包问题在处理i自减和01背包不同,01背包是不管F[i][j]与F[i-1][j-C[i]]+W[i]相不相等i都要减1,因为01背包的第i件物品要么放要么不放,不管放还是不放其已经遍历过了,需要继续往下遍历而完全背包只有当F[i][j]与F[i-1][j]相等时i才自减1。因为F[i][j]=F[i-1][j]说明背包里面不会含有i,也就是说对于前i种物品容量为j的背包全部都放入前i-1种物品才能实现价值最大化,或者直白的理解为前i种物品中第i种物品物不美价不廉,直接被筛选掉。

        打印背包内物品的伪代码如下:

[cpp] view plain copy
  1. i←N  
  2.   
  3. j←V  
  4.   
  5. while(i>0 && j>0)  
  6.   
  7.      do if(F[i][j]=F[i][j-C[i]]+W[i])  
  8.   
  9.           then Print W[i]  
  10.   
  11.                j←j-C[i]  
  12.   
  13.         else  
  14.   
  15.           i←i-1  

        和01背包一样,也可以利用一个二维数组Path[][]来标记背包中的物品。开始时Path[N][V]初始化为0,当 F[i][j]==F[i][j-C[i]]+W[i]时Path[i][j]置1。最后通过从Path[N+1][V+1]逆着走向Path[0][0]来获取背包内物品。其中Path[0][]与Path[][0]为边界。同样,在打印路径的时候当Path[][]=1时,打印W[i];Path[][]=0时i自减1.

       加入路径信息的伪代码如下:

[cpp] view plain copy
  1. F[0][] ← {0}  
  2.   
  3. F[][0] ← {0}  
  4.   
  5. Path[][] ← 0  
  6.   
  7. for i←1 to N  
  8.   
  9.     do for k←1 to V  
  10.   
  11.         F[i][k] ← F[i-1][k]  
  12.   
  13.         if(k >= C[i] && F[i][k] < F[i][k-C[i]]+W[i])  
  14.   
  15.             then F[i][k] ← F[i][k-C[i]]+W[i]  
  16.   
  17.                  Path[i][k] ← 1  
  18.   
  19. return F[N][V] and Path[][]  

打印背包内物品的伪代码如下:

[cpp] view plain copy
  1. i←N  
  2.   
  3. j←V  
  4.   
  5. while(i>0 && j>0)  
  6.   
  7.      do if(Path[i][j]=1)  
  8.   
  9.           then Print W[i]  
  10.   
  11.                j←j-C[i]  
  12.   
  13.         else  
  14.   
  15.           i←i-1  

优化空间复杂度为O(V)

        和01背包问题一样,完全背包也可以用一维数组来保存数据。算法样式和01背包的很相似,唯一不同的是对V遍历时变为正序,而01背包为逆序。01背包中逆序是因为F[i][]只和F[i-1][]有关,且第i的物品加入不会对F[i-1][]状态造成影响。而完全背包则考虑的是第i物品的出现的问题,第i种物品一旦出现它势必应该对第i种物品还没出现的各状态造成影响。也就是说,原来没有第i种物品的情况下可能有一个最优解,现在第i种物品出现了,而它的加入有可能得到更优解,所以之前的状态需要进行改变,故需要正序。

状态方程为:

                          (2-3)

 

伪代码如下:

[cpp] view plain copy
  1. F[] = {0}  
  2.   
  3. for i←1 to N  
  4.   
  5.     do for k←C[i] to V  
  6.   
  7.         F[k] ← max(F[k],F[k-C[i]]+W[i])  
  8.   
  9. return F[V]  

        具体背包中放入那些物品的求法和上面空间复杂度为O(NV)算法一样,用一个Path[][]记录背包信息。但这里面是当F[i]=F[i-C[i]]+W[i]时将Path置1.

        伪代码如下:

[cpp] view plain copy
  1. F[0][] = {0}  
  2.   
  3. F[][0] = {0}  
  4.   
  5. Path[][] ← 0  
  6.   
  7. for i←1 to N  
  8.   
  9.     do for k←C[i] to V  
  10.   
  11.         if(F[i] < F[k-C[i]]+W[i])  
  12.   
  13.             then F[i] ← F[k-C[i]]+W[i]  
  14.   
  15.                  Path[i][k] ← 1  
  16.   
  17. return F[N][V] and Path[][]  

        打印路径的伪代码和前面未压缩空间复杂度时的伪代码一样,这里不再重写。

 

         举例:表2-1为一个背包问题数据表,设背包容量为10根据上述解决方法可得到对应的F[i][j]如表2-2所示,最大价值即为F[6][10].

表2-1背包问题数据表

物品号i123456体积C325164价值W65102168

 

表2-2前i件物品选若干件放入空间为j的背包中得到的最大价值表

 0123456789100000000000001000666121212181820056101115162021253005610111516202125402571012151720222550257101216182123266025710121618212326

 下面针对前面提到的表2-1提供两种方法的测试代码:

 

[cpp] view plain copy
  1. #include <iostream>  
  2. #include <cstring>  
  3. #include "CreateArray.h"        //该头文件用于二维数组的创建及销毁,读者自己实现  
  4.   
  5. using namespace std;  

 

//时间复杂度O(VN),空间复杂度为O(VN)

[cpp] view plain copy
  1. int Package02(int Weight[], int Value[], int nLen, int nCapacity)  
  2. {  
  3.     int** Table = NULL;  
  4.     int** Path = NULL;  
  5.     CreateTwoDimArray(Table,nLen+1,nCapacity+1);    //创建二维数组  
  6.     CreateTwoDimArray(Path,nLen+1,nCapacity+1); //创建二维数组  
  7.       
  8.     for(int i = 1; i <= nLen; i++)  
  9.     {  
  10.         for(int j = 1; j <= nCapacity; j++)  
  11.         {  
  12.             Table[i][j] = Table[i-1][j];  
  13.             if(j >= Weight[i-1] && Table[i][j] < Table[i][j-Weight[i-1]]+Value[i-1])  
  14.             {  
  15.                 Table[i][j] = Table[i][j-Weight[i-1]]+Value[i-1];  
  16.                 Path[i][j]=1;  
  17.             }  
  18.         }  
  19.     }  
  20.   
  21.     int i = nLen, j = nCapacity;  
  22.     while(i > 0 && j > 0)  
  23.     {  
  24.         if(Path[i][j] == 1)  
  25.         {  
  26.             cout << Weight[i-1] << " ";  
  27.             j -= Weight[i-1];  
  28.         }  
  29.         else  
  30.             i--;  
  31.     }  
  32.     cout << endl;  
  33.   
  34.     int nRet = Table[nLen][nCapacity];  
  35.     DestroyTwoDimArray(Table,nLen+1);   //销毁二维数组  
  36.     DestroyTwoDimArray(Path,nLen+1);    //销毁二维数组  
  37.     return nRet;  
  38. }  


//时间复杂度O(VN),不考虑路径空间复杂度为O(V),考虑路径空间复杂度为O(VN)

[cpp] view plain copy
  1. int Package02_Compress(int Weight[], int Value[], int nLen, int nCapacity)  
  2. {  
  3.     int * Table = new int [nCapacity+1];  
  4.     memset(Table,0,(nCapacity+1)*sizeof(int));  
  5.   
  6.     int** Path = NULL;  
  7.     CreateTwoDimArray(Path,nLen+1,nCapacity+1);     //创建二维数组  
  8.   
  9.     for(int i = 0; i < nLen; i++)  
  10.     {  
  11.         for(int j = Weight[i]; j <=nCapacity; j++)  
  12.         {  
  13.             if(Table[j] < Table[j-Weight[i]]+Value[i])  
  14.             {  
  15.                 Table[j] = Table[j-Weight[i]]+Value[i];  
  16.                 Path[i+1][j] = 1;  
  17.             }  
  18.         }     
  19.     }  
  20.   
  21.     int i = nLen, j = nCapacity;  
  22.     while(i > 0 && j > 0)  
  23.     {  
  24.         if(Path[i][j] == 1)  
  25.         {  
  26.             cout << Weight[i-1] << " ";  
  27.             j -= Weight[i-1];  
  28.         }  
  29.         else  
  30.             i--;  
  31.     }  
  32.     cout << endl;  
  33.   
  34.     int nRet = Table[nCapacity];      
  35.     DestroyTwoDimArray(Path,nLen+1);    //销毁二维数组  
  36.     delete [] Table;  
  37.     return nRet;  
  38. }  


测试代码:

[cpp] view plain copy
  1. int main()  
  2. {  
  3.     int Weight[] = {3,2,5,1,6,4};  
  4.     int Value[] =  {6,5,10,2,16,8};  
  5.     int nCapacity = 10;  
  6.     cout << Package02(Weight,Value,sizeof(Weight)/sizeof(int),nCapacity) << endl;  
  7.     cout << Package02_Compress(Weight,Value,sizeof(Weight)/sizeof(int),nCapacity) << endl;  
  8.     return 0;  
  9. }  

本文部分内容参考“背包九讲”
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