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0-1背包问题及变种
0-1背包问题:
有N件物品和一个容量为V的背包。第i件物品的费用是c[i],价值是w[i]。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。
这个问题的特点是:每种物品只有一件,可以选择放或者不放。
算法基本思想:
利用动态规划思想 ,子问题为:f[i][v]表示前i件物品恰放入一个容量为v的背包可以获得的最大价值。
其状态转移方程是:f[i][v]=max{f[i-1][v],f[i-1][v-c[i]]+w[i]} //这个方程非常重要,基本上所有跟背包相关的问题的方程都是由它衍生出来的。
解释一下上面的方程:“将前i件物品放入容量为v的背包中”这个子问题,如果只考虑第i件物品放或者不放,那么就可以转化为只涉及前i-1件物品的问题,即1、如果不放第i件物品,则问题转化为“前i-1件物品放入容量为v的背包中”;2、如果放第i件物品,则问题转化为“前i-1件物品放入剩下的容量为v-c[i]的背包中”(此时能获得的最大价值就是f [i-1][v-c[i]]再加上通过放入第i件物品获得的价值w[i])。则f[i][v]的值就是1、2中最大的那个值。
(注意:f[i][v]有意义当且仅当存在一个前i件物品的子集,其费用总和为v。所以按照这个方程递推完毕后,最终的答案并一定是f[N] [V],不一定是唯一的最大值,也可以是f[N][0..V]的最大值。
以上概念和算法基本思想来源于blog:http://www.cnblogs.com/fly1988happy/archive/2011/12/13/2285377.html
以下为算法代码:是个不断优化的过程。首先(1)给出了递归和迭代的思想,(2)然后对迭代的算法代码进行空间优化。(3)然后给出了该问题的变种:恰好装满背包和完全背包问题。
(1)递归方法:
// 0-1 背包问题递归方法 回溯求最佳解 int packageRecursion(int c, int n) { if(n == C) return (c < weight[n])? 0 : value[n]; if(c < weight[n]) return packageRecursion(c, n+1); return max(packageRecursion(c, n+1), packageRecursion(c - weight[n], n+1) + value[n]); }
(2)迭代方法:
// 0-1 背包问题迭代方法 void packageIteraction() { int **F; F = new int*[N+1]; // 申请内存空间 int i; for(i = 0; i < N+1; i++) { F[i] = new int [C+1]; } int j; for(i = 0 ; i < N+1; i++) { for(j = 0; j < C+1; j++) { F[i][j] = 0; // 初始化 } } // 正好装满背包 加上这几行 /*for(i = 0 ; i < N+1; i++) { for(j = 1; j < C+1; j++) { F[i][j] = min; } }*/ for(i = 1; i < N+1; i++) { for(j = weight[i]; j < C+1; j++) { F[i][j] = F[i-1][j] > (F[i-1][j-weight[i]]+value[i])? F[i-1][j] : (F[i-1][j-weight[i]]+value[i]); } } if(F[N][C] > 0) { cout << "the opt value:" << F[N][C] << endl; j = C; // 回溯 遍历出所选择的节点 for(i = N; i >= 1; i--) { if(F[i][j] == (F[i-1][j-weight[i]]+value[i])) { cout << i << "weight=: " << weight[i] << " value=http://www.mamicode.com/: "<< value[i] << endl;>(3)迭代方法优化空间复杂度:
以上迭代方法的时间复杂度和空间复杂度都是O(N*V),其中时间复杂度基本已经不能再优化了,但空间复杂度却可以优化到O(V)。此时的做法是用F[V]来存储当前获得的价值的最大值,第二个for循环反向遍历。
// 将j=V:weight[i] 只用一维数组保存就可以了,降低了空间复杂度 void packageIteractionOpt() { int *F; F = new int[C+1]; // 申请内存空间 int i; for(i = 0; i < C+1; i++) F[i] = 0; // 正好装满背包 加上这句 /*for(i = 1; i < C+1; i++) F[i] = min; */ for(i = 1; i < N+1; i++) { for(int j= C; j >= weight[i]; j--) { F[j] = F[j] > (F[j-weight[i]]+value[i])? F[j] : (F[j-weight[i]]+value[i]); } } cout << F[C] << endl; delete []F; // 释放内存空间 }Main函数代码:
int main() { cin >> C >> N; weight = new int[N+1]; value = http://www.mamicode.com/new int[N+1];>输出结果:
(4)变种
1:恰好装满背包
在初始化时除了f[0]为0其它f[1..V]均设为-∞,这样就可以保证最终得到的f[N]是一种恰好装满背包的最优解。如果不能恰好满足背包容量,即不能得到f[V]的最优值,则此时f[V]=-∞,这样就能表示没有找到恰好满足背包容量的最优值。
以上代码中可以将注释的部分加上就可以了。其中int类型中最小值为0x80000000.
2:完全背包
此问题来源于hihoCoder中:链接,即将背包只能兑换一次或者不兑换改为可以兑换无数次
/*完全背包问题 http://hihocoder.com/contest/hiho7/problem/1 */ #include <iostream> #include <memory.h> //A题时候使用memset需要添加这个库函数 using namespace std; int main() { int N, M; while(cin >> N >> M) { int need, value; int *F = new int[M+1]; int i, j; memset(F, 0, sizeof(int)*(M+1)); //for(i = 0; i < M+1; i++) //F[i] = 0; for(i = 1; i < N+1; i++) { cin >> need >> value; for(j = need; j<=M; j++) { F[j] = F[j] > (F[j-need]+value)?F[j]:(F[j-need]+value); } } // 错误代码 /* 如样例 2 10 2 3 3 5 */ /*int k; for(i = 1; i < N+1; i++) { cin >> need >> value; for(j = M; j>=need; j--) { if(need == 0) k = 0; else k = j/need; // F[j] = F[j] > (F[j-k*need]+k*value)?F[j]:(F[j-k*need]+k*value); } }*/ cout << F[M] << endl; delete []F; } } // 测试输入 /*5 1000 144 990 487 436 210 673 567 58 1056 897*/ // 输出 // 5940作者:小村长 出处:http://blog.csdn.net/lu597203933 欢迎转载或分享,但请务必声明文章出处。 (新浪微博:小村长zack, 欢迎交流!)0-1背包问题及变种