背包问题(补充中)

发布时间:2024年01月14日

1.01背包

????????有 N 件物品和一个容量是?V 的背包。每件物品只能使用一次。

????????第?i?件物品的体积是 v[i],价值是?w[i]。

????????求解将哪些物品装入背包,可使这些物品的总体积不超过背包容量,且总价值最大。
输出最大价值。

对于01背包问题,只有选或不选,所有选法的集合便是由选的情况和不选的情况组成的

以下为未优化二维做法

#include<iostream>
using namespace std;
const int N = 1e3 + 10;
int n, m;
int w[N], v[N];
int f[N][N];	//f[i][j]代表【从前i个物品中选,且最大容量为j的要求下的最大价值】
int main() {

	cin >> n >> m;
	for (int i = 1; i <= n; i++) {
		cin >> v[i] >> w[i];
	}

	for (int i = 1; i <= n; i++) {			//枚举n个物品
		for (int j = 1; j <= m; j++) {		//枚举m个体积
			if(j < v[i])f[i][j] = f[i - 1][j];//如果j的体积甚至不如第i个物品大
											  //那么也没有决策的必要了,当前的最优解就是上一层的最优解
			if (j >= v[i]) f[i][j] = max(f[i-1][j], f[i - 1][j - v[i]] + w[i]);	
            //如果体积可以装的下第i个物品,那么要进行决策
			/*
			首先前者f[i][j]代表状态不变,即不选择第i个物品时的{最优解}
			f[i-1][j-v[i]]+w[i]代表的是,选择上第i个物品时的{最优解},采用先去掉一个i,再加上一个i的价值的算法
			取max则是从二者中抉择出最优的{最优解}
			*/

			//此处不能暴力的直接每一层都取最大价值(使用贪心算法),贪心算法只注重于当前的利益
			//无法保证背包的容量被充分利用,从而无法保证最终得到的结果是最优解
			//动态规划便是对全局的决策,得到最优解
		}
	}

	cout << f[n][m];
	return 0;
}

一下为优化后的一维做法

?f[i][j]可以变为f[j]?? ? 题目仅要求最终的f[n][m]结果,故讨论选前多少个物品意义不大

如果在原代码上进行修改可以得到

if(j <v[i]) f[i][j] = f[i-1][j];
                ||
                \/
if(j <v[i])     f[j] = f[j];
//为等式,故可以直接删除

所以可以直接从v[i]枚举到m

但对于j >= v[i]时,在二维做法上,每次第i层的取max都用到了第i-1层,即在二维枚举时,保持了f[i-1]在使用时是原始数据,是没有被更新过的,没有被污染的

如枚举一个体积为1的物品时 f[2][3] = max(f[1][3] , f[1][2] + w[2]);?这时的f[1][2],f[1][3]都是没有被更新过的

而如果一维枚举时,如果直接使用升序枚举,那么就会导致使用?f[j]?时?f[j]?已经是被污染过的

如枚举一个体积为1的物品时?f[3] = max(f[3] , f[2] + w[2]);?那么此时f[2]已经在之前的枚举时被更新过了,导致了现在进行决策时f[2]已经不是原始数据了

综上,一维列举时需要逆序进行,这样可以避免小体积被提前更新

#include<iostream>
using namespace std;
const int N = 1e3 + 10;

int f[N];
int n, m;
int v[N], w[N];

int main() {
	cin >> n >> m;
	for (int i = 1; i <= n; i++) {
		cin >> v[i] >> w[i];
	}

	for (int i = 1; i <= n; i++) {
		for (int j = m; j >= v[i]; j--) {
			f[j] = max(f[j], f[j - v[i]] + w[i]);
		}
	}

	cout << f[m];
	return 0;
}

2.完全背包

有?N 种物品和一个容量是?V 的背包,每种物品都有无限件可用。

第?i 种物品的体积是?v[i],价值是?w[i] 。

求解将哪些物品装入背包,可使这些物品的总体积不超过背包容量,且总价值最大。
输出最大价值。

完全背包问题中的物品是没有选择多少的限制的,故我们可以把集合的组成划分成:选1,2,3...k个前i个物品。

用代码实现出来便是这样

#include<iostream>
using namespace std;
const int N = 1e3 + 10;

int n, m;
int v[N], w[N];
int f[N][N];	//f[i][j]表示从前i种物品中选,体积不超过j

int main() {
	cin >> n >> m;
	for (int i = 1; i <= n; i++) {
		cin >> v[i] >> w[i];
	}

	for (int i = 1; i <= n; i++) {
		for (int j = 0; j <= m; j++) {
			for (int k = 0; k * v[i] <= j; k++) {	//枚举选择第i种物品的个数	
				//下面的转移方程可能难以理解,但其实真正写出来是:
				//f[i][j] = max(f[i-1][j-v[i]*k] +w[i]*k)  (k = 0,1,2...)
				f[i][j] = max(f[i][j], f[i - 1][j - v[i] * k] + w[i] * k);
			}
		}
	}

	cout << f[n][m];
	return 0;
}

那么此问题如何优化??

? ? ?f[i][j] = max(f[i-1][j] , f[i-1][j-v[i]] + w[i], f[i-1][j-2v[i]] + 2w[i] , f[i-1][j-3v[i]] + 3w[i],?......)

f[i][j-v[i]] = max(f[i-1][j-v[i]] , f[i-1][j-2v[i]]+w[i], f[i-1][j-3v[i]] +2w[i], ......)

?通过观察上面两式,可以得知f[i][j-v[i]]的每一项都比上面的每一项少了一个w[i],故可得

f[i][j] = max(f[i-1][j] , f[i][j-v[i]] + w[i])

根据如上推导,可得到新的优化后的代码:

#include<iostream>
using namespace std;
const int N = 1e3 + 10;

int n, m;
int v[N], w[N];
int f[N][N];	//f[i][j]表示从前i种物品中选,体积不超过j

int main() {
	cin >> n >> m;
	for (int i = 1; i <= n; i++) {
		cin >> v[i] >> w[i];
	}

	for (int i = 1; i <= n; i++) {
		for (int j = 0; j <= m; j++) {

			if(j < v[i]) f[i][j] = f[i - 1][j];		//体积不够时,不决策
			if (j >= v[i]) f[i][j] = max(f[i-1][j], f[i][j - v[i]] + w[i]);	//体积足够时,进行决策,根据推得的状态转移方程

		}
	}

	cout << f[n][m];
	return 0;
}

这么看,是不是和01背包的方程十分相似?

完全背包也可以继续优化成一维,但是与01背包不同的是,枚举体积时不需要变为逆序

回顾如上状态转移方程,都是由第i层转移来的,而不是i-1层,也就是说其正序枚举也是和优化前的状态转移方程式相同的

优化后代码如下:

#include<iostream>
using namespace std;
const int N = 1e3 + 10;

int n, m;
int v[N], w[N];
int f[N];	

int main() {
	cin >> n >> m;
	for (int i = 1; i <= n; i++) {
		cin >> v[i] >> w[i];
	}

	for (int i = 1; i <= n; i++) {
		for (int j = v[i]; j <= m; j++) {
			f[j] = max(f[j], f[j - v[i]] + w[i]);
		}
	}

	cout << f[m];
	return 0;
}

当然还可以让价值和体积不用数组存储,而是分散在每一步进行输入,此处不再给出?

3.多重背包?

文章来源:https://blog.csdn.net/2302_79440616/article/details/135570605
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