• 背包问题(0-1背包,完全背包,多重背包知识概念详解)


    通过:http://www.cnblogs.com/tanky_woo/archive/2010/07/31/1789621.html  

       http://blog.csdn.net/lyhvoyage/article/details/8545852改编而来

    3种背包的简单概念:

    0-1背包  (ZeroOnePack): 有N件物品和一个容量为V的背包。每种物品均只有一件

                 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价值总和最大。

    完全背包(CompletePack): 有N种物品和一个容量为V的背包,每种物品都有无限件可用

                  第i种物品的费用是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。

    多重背包   (MultiplePack): 有N种物品和一个容量为V的背包。第i种物品最多有n[i]件可用

                    每件费用是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。

    比较三个题概念,会发现不同点在于每种背包的数量,01背包是每种只有一件,完全背包是每种无限件,而多重背包是每种有限件。

    ——————————————————————————————————————————————————————————–

    一、0-1背包:

    有N件物品和一个容量为V的背包。(每种物品均只有一件)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价值总和最大。

    这是最基础的背包问题,特点是:每种物品仅有一件,可以选择放或不放。

    用子问题定义状态:即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。则其状态转移方程便是:

    f[i][v]=max{f[i-1][v],f[i-1][v-c[i]]+w[i]}

    把这个过程理解下:在前i件物品放进容量v的背包时,

    它有两种情况:

    第一种是第i件不放进去,这时所得价值为:f[i-1][v]

    第二种是第i件放进去,这时所得价值为:f[i-1][v-c[i]]+w[i]

    (第二种是什么意思?就是如果第i件放进去,那么在容量v-c[i]里就要放进前i-1件物品)

    最后比较第一种与第二种所得价值的大小,哪种相对大,f[i][v]的值就是哪种。

    (这是基础,要理解!)

    V=10,N=3,c[]={3,4,5}, w={4,5,6}

    (1)背包不一定装满

          计算顺序是:从右往左,自上而下:因为每个物品只能放一次,前面的体积小的会影响体积大的

          

    (2)背包刚好装满    

          计算顺序是:从右往左,自上而下。注意初始值,其中-inf表示负无穷

          

    这里是用二位数组存储的,可以把空间优化,用一位数组存储。

    用f[0..v]表示,f[v]表示把前i件物品放入容量为v的背包里得到的价值。把i从1~n(n件)循环后,最后f[v]表示所求最大值。

    *这里f[v]就相当于二位数组的f[i][v]。那么,如何得到f[i-1][v]和f[i-1][v-c[i]]+w[i]?(重点!思考)
    首先要知道,我们是通过i从1到n的循环来依次表示前i件物品存入的状态。即:for i=1..N

    每次算出来二维数组f[i][0..V]的所有值。那么,如果只用一个数组f[0..V],能不能保证第i次循环结束后f[v]中表示的就是我们定义的状态f[i][v]呢?

    f[i][v]是由f[i-1][v]和f[i-1][v-c[i]]两个子问题递推而来,能否保证在推f[i][v]时(也即在第i次主循环中推f[v]时)能够得到f[i-1][v]和f[i-1][v-c[i]]的值呢?

    事实上,这要求在每次主循环中我们以v=V..0的顺序推f[v],这样才能保证推f[v]时f[v-c[i]]保存的是状态f[i-1][v-c[i]]的值

     代码如下:

    for i=1..N
       for v=V..0
            f[v]=max{f[v],f[v-c[i]]+w[i]};
    测试数据:
    10,3
    3,4
    4,5
    5,6

             

    这个图表画得很好,借此来分析:

    C[v]从物品i=1开始,循环到物品3,期间,每次逆序得到容量v在前i件物品时可以得到的最大值。(请在草稿纸上自己画一画

    这里以一道题目来具体看看:

    题目:http://acm.hdu.edu.cn/showproblem.php?pid=2602

    代码在这里:http://www.wutianqi.com/?p=533

    二、完全背包:

    有N种物品和一个容量为V的背包,每种物品都有无限件可用。第i种物品的费用是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。

    完全背包按其思路仍然可以用一个二维数组来写出:

    f[i][v]=max{f[i-1][v-k*c[i]]+k*w[i]|0<=k*c[i]<=v}

    如果将v的循环顺序从上面的0-1背包逆序改成顺序的话,那么则成了f[i][v]由f[i][v-c[i]]推知,刚好满足完全背包的定义可以将数组降维  

    那么这里,我们顺序写,这里的max中的两项当然就是当前状态的值了,因为每种背包都是无限的。当我们把i从1到N循环时,

    f[v]表示容量为v在前i种背包时所得的价值,这里我们要添加的不是前一个背包,而是当前背包。所以我们要考虑的当然是当前状态。

    V=10,N=3,c[]={3,4,5}, w={4,5,6}

    (1)背包不一定装满

      计算顺序是:从左往右,自上而下:  每个物品可以放多次,前面的会影响后面的

         

    (2)背包刚好装满

      计算顺序是:从左往右,自上而下。注意初始值,其中-inf表示负无穷

         

    代码如下:

    for i=1..N
        for v=0..V
            f[v]=max{f[v],f[v-c[i]]+w[i]}

    这里同样给大家一道题目:

    题目:http://acm.hdu.edu.cn/showproblem.php?pid=1114

    代码:http://www.wutianqi.com/?p=535

    (分析代码也是学习算法的一种途径,有时并不一定要看算法分析,结合题目反而更容易理解。)

    一个简单有效的优化 
    完全背包问题有一个很简单有效的优化,是这样的:若两件物品i、j满足c[i]<=c[j]且w[i]>=w[j],则将物品j去掉,不用考虑。这个优化的正确性显然:任何情况下都可将价值小费用高得j换成物美价廉的i,得到至少不会更差的方案。对于随机生成的数据,这个方法往往会大大减少物品的件数,从而加快速度。然而这个并不能改善最坏情况的复杂度,因为有可能特别设计的数据可以一件物品也去不掉。 

    ——————————————————————————————————————————————————————————–

     

    三、多重背包

    有N种物品和一个容量为V的背包。第i种物品最多有n[i]件可用,每件费用是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。

    这题目和完全背包问题很类似。基本的方程只需将完全背包问题的方程略微一改即可,因为对于第i种物品有n[i]+1种策略:取0件,取1件……取n[i]件。令f[i][v]表示前i种物品恰放入一个容量为v的背包的最大权值,则有状态转移方程:

    f[i][v]=max{f[i-1][v-k*c[i]]+k*w[i]|0<=k<=n[i]}

    这里同样转换为01背包:

    普通的转换对于数量较多时,则可能会超时

    对于普通的。就是多了一个中间的循环,把j=0~bag[i],表示把第i中背包从取0件枚举到取bag[i]件。

    给出一个例题:

    题目:http://acm.hdu.edu.cn/showproblem.php?pid=2191

    代码:http://www.wutianqi.com/?p=537

    对于二进制办法

    多重背包转换成 01 背包问题就是多了个初始化,把它的件数C 用二进制分解成若干个件数的集合,这里面数字可以组合成任意小于等于C的件数,而且不会重复,

    之所以叫二进制分解,是因为这样分解可以用数字的二进制形式来解释  
           比如:7的二进制 7 = 111 它可以分解成 001 010 100 这三个数可以组合成任意小于等于7 的数,而且每种组合都会得到不同的数  
           15 = 1111 可分解成 0001  0010  0100  1000 四个数字  
           如果13 = 1101 则分解为 0001 0010 0100 0110 前三个数字可以组合成  7以内任意一个数,即1、2、4可以组合为1——7内所有的数,加上 0110 = 6 可以组合成任意一个大于6 小于等于13的数,比如12,可以让前面贡献6且后面也贡献6就行了。虽然有重复但总是能把 13 以内所有的数都考虑到了,基于这种思想去把多件物品转换为,多种一件物品,就可用01 背包求解了。

    int n;  //输入有多少种物品
    int c;  //每种物品有多少件
    int v;  //每种物品的价值
    int s;  //每种物品的尺寸
    int count = 0; //分解后可得到多少种物品
    int value[MAX]; //用来保存分解后的物品价值
    int size[MAX];  //用来保存分解后物品体积
    
    scanf("%d", &n);    //先输入有多少种物品,接下来对每种物品进行分解
    
    while (n--)     //接下来输入n中这个物品
    {
        scanf("%d%d%d", &c, &s, &v);  //输入每种物品的数目和价值
        for (int k=1; k<=c; k<<=1)   //<<右移 相当于乘二
        {
            value[count] = k*v;
            size[count++] = k*s;
            c -= k;
        }
        if (c > 0)
        {
            value[count] = c*v;
            size[count++] = c*s;
        }
    }

    定理:一个正整数n可以被分解成1,2,4,…,2^(k-1),n-2^k+1(k是满足n-2^k+1>0的最大整数)的形式,且1~n之内的所有整数均可以唯一表示成1,2,4,…,2^(k-1),n-2^k+1中某几个数的和的形式。

     

    证明如下:

    (1) 数列1,2,4,…,2^(k-1),n-2^k+1中所有元素的和为n,所以若干元素的和的范围为:[1, n];

    (2)如果正整数t<= 2^k – 1,则t一定能用1,2,4,…,2^(k-1)中某几个数的和表示,这个很容易证明:我们把t的二进制表示写出来,很明显,t可以表示成n=a0*2^0+a1*2^1+…+ak*2^(k-1),其中ak=0或者1,表示t的第ak位二进制数为0或者1.

    (3)如果t>=2^k,设s=n-2^k+1,则t-s<=2^k-1,因而t-s可以表示成1,2,4,…,2^(k-1)中某几个数的和的形式,进而t可以表示成1,2,4,…,2^(k-1),s中某几个数的和(加数中一定含有s)的形式。

    (证毕!)

    现在用count 代替 n 就和01 背包问题完全一样了  

    杭电2191题解:http://acm.hdu.edu.cn/showproblem.php?pid=2191

    此为多重背包用01和完全背包:

     1 #include<stdio.h>
     2 #include<string.h>
     3 int dp[102];
     4 int p[102],h[102],c[102];
     5 int n,m;
     6 void comback(int v,int w)//经费,重量。完全背包;
     7 {
     8     for(int i=v; i<=n; i++)
     9         if(dp[i]<dp[i-v]+w)
    10             dp[i]=dp[i-v]+w;
    11 }
    12 void oneback(int v,int w)//经费,重量;01背包;
    13 {
    14     for(int i=n; i>=v; i--)
    15         if(dp[i]<dp[i-v]+w)
    16             dp[i]=dp[i-v]+w;
    17 }
    18 int main()
    19 {
    20     int ncase,i,j,k;
    21     scanf("%d",&ncase);
    22     while(ncase--)
    23     {
    24         memset(dp,0,sizeof(dp));
    25         scanf("%d%d",&n,&m);//经费,种类;
    26         for(i=1; i<=m; i++)
    27         {
    28             scanf("%d%d%d",&p[i],&h[i],&c[i]);//价值,重量,数量;
    29             if(p[i]*c[i]>=n) comback(p[i],h[i]);
    30             else
    31             {
    32                 for(j=1; j<c[i]; j<<1)
    33                 {
    34                     oneback(j*p[i],j*h[i]);
    35                     c[i]=c[i]-j;
    36                 }
    37                 oneback(p[i]*c[i],h[i]*c[i]);
    38             }
    39         }
    40         printf("%d
    ",dp[n]);
    41     }
    42     return 0;
    43 }

    只是用01背包,用二进制优化:

     1 #include <iostream>
     2 using namespace std;
     3 int main()
     4 {
     5     int nCase,Limit,nKind,i,j,k,  v[111],w[111],c[111],dp[111];
     6     //v[]存价值,w[]存尺寸,c[]存件数
     7     //在本题中,价值是米的重量,尺寸是米的价格
     8     int count,Value[1111],size[1111];
     9     //count存储分解完后的物品总数
    10     //Value存储分解完后每件物品的价值
    11     //size存储分解完后每件物品的尺寸
    12     cin>>nCase;
    13     while(nCase--)
    14     {
    15         count=0;
    16         cin>>Limit>>nKind;
    17         for(i=0; i<nKind; i++)
    18         {
    19             cin>>w[i]>>v[i]>>c[i];
    20             //对该种类的c[i]件物品进行二进制分解
    21             for(j=1; j<=c[i]; j<<=1)
    22             {
    23                 //<<右移1位,相当于乘2
    24                 Value[count]=j*v[i];
    25                 size[count++]=j*w[i];
    26                 c[i]-=j;
    27             }
    28             if(c[i]>0)
    29             {
    30                 Value[count]=c[i]*v[i];
    31                 size[count++]=c[i]*w[i];
    32             }
    33         }
    34         //经过上面对每一种物品的分解,
    35         //现在Value[]存的就是分解后的物品价值
    36         //size[]存的就是分解后的物品尺寸
    37         //count就相当于原来的n
    38         //下面就直接用01背包算法来解
    39         memset(dp,0,sizeof(dp));
    40         for(i=0; i<count; i++)
    41             for(j=Limit; j>=size[i]; j--)
    42                 if(dp[j]<dp[j-size[i]]+Value[i])
    43                     dp[j]=dp[j-size[i]]+Value[i];
    44 
    45         cout<<dp[Limit]<<endl;
    46     }
    47     return 0;
    48 }

    未优化的

     1 #include <iostream>
     2 using namespace std;
     3 int main()
     4 {
     5     int nCase,Limit,nKind,i,j,k,  v[111],w[111],c[111],dp[111];
     6     //v[]存价值,w[]存尺寸,c[]存件数
     7     //在本题中,价值是米的重量,尺寸是米的价格
     8     int count,Value[1111],size[1111];
     9     //count存储分解完后的物品总数
    10     //Value存储分解完后每件物品的价值
    11     //size存储分解完后每件物品的尺寸
    12     cin>>nCase;
    13     while(nCase--)
    14     {
    15         count=0;
    16         cin>>Limit>>nKind;
    17         for(i=0; i<nKind; i++)
    18         {
    19             cin>>w[i]>>v[i]>>c[i];
    20             //对该种类的c[i]件物品进行二进制分解
    21             for(j=1; j<=c[i]; j<<=1)
    22             {
    23                 //<<右移1位,相当于乘2
    24                 Value[count]=j*v[i];
    25                 size[count++]=j*w[i];
    26                 c[i]-=j;
    27             }
    28             if(c[i]>0)
    29             {
    30                 Value[count]=c[i]*v[i];
    31                 size[count++]=c[i]*w[i];
    32             }
    33         }
    34         //经过上面对每一种物品的分解,
    35         //现在Value[]存的就是分解后的物品价值
    36         //size[]存的就是分解后的物品尺寸
    37         //count就相当于原来的n
    38         //下面就直接用01背包算法来解
    39         memset(dp,0,sizeof(dp));
    40         for(i=0; i<count; i++)
    41             for(j=Limit; j>=size[i]; j--)
    42                 if(dp[j]<dp[j-size[i]]+Value[i])
    43                     dp[j]=dp[j-size[i]]+Value[i];
    44 
    45         cout<<dp[Limit]<<endl;
    46     }
    47     return 0;
    48 }

    因为限于个人的能力,我只能讲出个大概,请大家具体还是好好看看dd大牛的《背包九讲》。

    暂时讲完后,随着以后更深入的了解,我会把资料继续完善,供大家一起学习探讨。

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