• 完全背包


    本文红色部分自己添加,其他摘自:http://blog.csdn.net/wumuzi520/article/details/7014830

     完全背包实现的源代码这里有:http://blog.csdn.net/insistgogo/article/details/11081025

    完全背包:是在N种物品中选取若干件(同一种物品可多次选取)放在空间为V的背包里,每种物品的体积为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:

    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)的方法:

    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)  注:式子看不懂就继续往下看

    伪代码为:

    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:

    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:

    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:

    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) 注:式子看不懂就继续往下看

    伪代码如下:

    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:

    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i 1 2 3 4 5 6
    体积C 3 2 5 1 6 4
    价值W 6 5 10 2 16 8

     

    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

      0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
    0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
    1 0 0 0 6 6 6 12 12 12 18 18
    2 0 0 5 6 10 11 15 16 20 21 25
    3 0 0 5 6 10 11 15 16 20 21 25
    4 0 2 5 7 10 12 15 17 20 22 25
    5 0 2 5 7 10 12 16 18 21 23 26
    6 0 2 5 7 10 12 16 18 21 23 26

      上面这么多种方法,你还不知道究竟得用哪一种?

      其实,思想和01背包是差不多的,即每次可选物品增加一件,那么每次循环就能得出上表的一行,需要循环n次。(n种物品)

      但是每次需要更新一行,是要从左到右了,为什么?

      因为需要的只是最后一行的最后一个数字,所以可以用一维数组来保存及更新这个表,那么根据上面式子(2-3)得知,所挑的东西可能不止一件呢!那得是多少件合适?如果从左到右的话你会看到,当 j 自增到第 i 个物品的重量的时候,是不是就能放进一个第i件物品了?是的。当物品自增到2倍第i件物品的重量的时候,就可以放入2件了。这里有两种情况,①如果一开始第一件可以放进去的时候,放了进去,即放进去后价值更大,会更新上表;②如果一开始没放,那么在其后的每次j的自增都只是考虑是否加多1件了。

      还不明白?

      用上例来说明,如下:

    当i=1,j=1时,dp[1]=0。  装不下第1件。

    j=2时,dp[2]=0。  仍装不下。

    j=3时,dp[3]=6。  能装1件,价值更大,更新。

    j=4时,dp[4]=6。  依然1件,更新。

    j=5时,dp[5]=6。  依然1件,更新。

    j=6时,dp[6]=12了! 重点在这,f[6-3]+6=12其需要用到前面当j=3时的f[3],当时已经放了一件,在这就需要再装1件了。12和f[j]相比,因为f[j]一开始初始化为0,必然是再装一件即两件时价值更大,更新。空间为6能装2件。

    .........

    根据式子 (2-3)继续算下去  

      另一情况:

      f[j]>f[j-c[i]]+w[i]时,即不装第i件时更大。怎么会出现这种情况?假设有一个柚子和一个葡萄,前者的营养价值大一点点,原本只能一个柚子大小的包,我们先装了柚子,价值大,后来试装了葡萄,价值变小了,肯定不再装进去啦,你可以再举一个更合适的例子。

      既然不装第i件更大,那么在从左到右更新价值表时,第一次可以装时不装,后面在比较的依然是装还是不装一件。

      而前面装进一件了,后面在想的就是该不该再放进去一件。

    总结一下这个问题:若一开始,空间大小可以容下第i件物品时不装,在空间慢慢增大的每一步,做的工作是“是否该装入一件”;若一开始,空间大小可以容下第i件物品时装入了,那么后面做的工作时“是否该再装入一件”。这些判断的标准都是“哪个价值大就用哪种方法”。

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