51nod 教程 0 1揹包問題(動態規劃)

2021-08-06 01:34:32 字數 4225 閱讀 4199

有n件物品,第i件物品(i = 1,2,3…n)的價值是vi, 重量是wi,我們有乙個能承重為m的揹包,我們選擇一些物品放入揹包,顯然放入揹包的總重量不超過m。我們要求選擇物品的總價值最大,請問如何選擇?這裡我們假設所有出現的數都是正整數。

第一想法是? 

(1) 列舉?萬能的列舉啊。但對於n件物品,每件都可以選擇取或者不取,總的可能性有2n, n = 30就大約已經有10億種可能了!列舉所有可能選擇一種不超過揹包承重並且價值最大的物品組合,列舉量太大了。

(2) 貪心? 嗯,有點意思。先選最貴重的物品?找個反例:

n = 3, m = 3

v = (2,2,3)

w = (1,2,3)

按照先選貴重物品的策略,會先選擇價值為3的那個,並且揹包裝滿了,但是如果我們選取前兩個物品,總價值可以達到4。

可能你已經想到了,考慮「價效比」,先選取「價效比」高的。價效比怎麼定義呢?用價值除以重量!先選取單位重量價值最大的物品試試?

再舉個例子:

n = 3, m = 7

v = (2,3,4)

w = (3,4,5)

(3) 試試動態規劃?

我們從1-n一件一件選擇物品,為什麼要記錄之前選擇了哪些物品呢? 因為我們要計算重量和價值,那我們能不能只記錄重量和價值呢?可以的。

令f(i,j)表示選決定了前i件物品,重量恰好為j的時候能獲得的最大價值。

假設我們已經知道了全部的f(i-1,*)的值,如何求f(i,*),換句話說我們有了狀態表示還不夠,如何求出遞推式?

對f(i,j)如果我們不選取第i件物品,則顯然f(i, j) = f(i – 1,j)

如果我們要選取第i件物品,那麼前i – 1件物品必須要達到j - wi且價值最大。由我們對f的定義,有f(i,j) = f(i-1,j - wi) + vi, 那麼我們究竟選不選第i件物品呢?只好看哪個大了值大了,所以由

f(i,j) = max(f(i – 1, j) , f(i-1,j - wi) + vi)

當然只有j>= wi的時候我們才有選擇第i件物品的權力。

那麼初值是什麼呢?f(0,*),一件物品也不選的時候,顯然重量只能是0,其他的重量都不存在,我們用負無窮來表示不可能,因為求的是最大價值嘛。

f(i,j)=

⎧⎩⎨⎪

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪0

(i=0

∩j=0

)−∞(

i=0∩

j>0)

f(i−

1,j)

(i>0∪

jmax(

f(i−

1,j)

,f(i

−1,j

−wi)

+vi)

(i>0∪

j>wi

)

那麼我們求的值是什麼呢? 回想f的定義,最終的答案是揹包要裝的物品價值最大。那麼答案應該是max  (0<=i<=n)  注意這裡i可以等於0——如果揹包一件物品都容納不了呢?

至此我們的問題得到了解答。分析下複雜度,我們的f第一維顯然只能

到n,第二維能到多大呢?最大也就是揹包的容量,再大沒意義,全是-∞了。那麼我們的空盡複雜度是o(n * m),我們求這些值的時候,每個值最多隻從之前求的兩個值比較得到結果,所以時間複雜度也是o(n * m)。前面提到的列舉演算法時間複雜度是o(2^n),雖然我們不能得出動態規劃演算法更快的結論,但通常認為m不太大。

回到老問題,我們如何得到具體選出哪些物品?慣用伎倆了,看f(i,j)到底是由f(i-1,j)得到的,還是由, f(i-1,j - wi) + vi得到的,從最終結果倒推回去,得到乙個最優解。

優化?我們看一下這個遞推式子核心就是f(i,j) = max(f(i – 1, j) , f(i-1,j - wi) + vi), 看一下f(i,*)只與f(i-1,*)相關,再仔細看看我們的第維j,只和更小的值相關,我們可以省掉一維i,然後倒著迴圈j,用舊的值更新新的值,這時f一部分是舊的值f(i-1,*),一部分是新的值f(i,*)。更具體地說小於j地是舊值,其餘是新值。

核心偽**:

1

2

3

4

5

6

7

f(0)=

0 f(

1.. m)=

-∞

fori=

1tondo

forj=m

downto

wido

f(j)

=max(f

(j),  f(j

-wi))

endfor

endfor

所求結果是max

注意我們迴圈j只到wi,因為再小的j會導致我們無法選擇第i件物品,這時我們直接使用不用第i件物品的舊值就好啦。簡單吧?

那麼現在,時間複雜度時不變的,空間複雜度降低o(m)了。

們嘗試換一種狀態表示? 我們令f(i,j)表示決定了前i件物品,總重量不超過j時能獲得的最大價值。仔細想想遞推式是不變的,那麼初值呢?如果初值不變,f就沒變化了……i= 0時,總重量時0,又因為0不超過任何整數,所以根據定義初值是f(0,*) = 0

那麼最終結果呢?根據定義,最終結果是f(n,m)而沒有必要再一串數里取最大了。可見即使遞推式相同,初值不同也會定義不同的函式,請不要忽略初值的作用啊。同樣我們可以優化掉第一維。

核心偽**: 1

2

3

4

5

6

初值f(0..

m)=0

fori=1

tondo

forj=m

downto

wido

f(j)

=max(f

(j),  f(j

-wi))

endfor

endfor

所求結果是f(m)

再換一種狀態表示?剛才講了,我們有重量和價值兩個指標,那麼我們令f(i,j)是決定了前i件物品,總價值恰好是j時的最小重量,那麼經過類似的分析,我們可以寫出這樣的初值和遞推式: f

(i,j

)=⎧⎩

⎨⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

⎪0(i

=0∩j

=0)∞

(i=0

∩j>0)

f(i−

1,j)

(i>0∪

j)max

(f(i

−1,j

),f(

i−1,

j−wi

)+vi

)(i>0∪

j>vi

)

那結果是什麼呢?

根據定義結果是max, 同樣我們可以優化掉一維的空間複雜度。那麼時間複雜度是什麼呢? o(n * sum(vi)) sum(vi)表示所有vi的和,也是第二維有意義的大小。

同樣我們也可以重新定義狀態為f(i,j)是決定了前i件物品,總價值不超過j時的最小重量,則遞推式不變,初值

f(0,1.. sum(vi))) = 0

最終的結果也一樣……還是要找到max。

可見,動態規劃問題狀態表示十分靈活,不同的狀態表示會有不同的解決方法。努力取發現吧!

最後,我們來提供輸入輸出資料,由你來寫一段程式,實現這個演算法,只有寫出了正確的程式,才能繼續後面的課程。

輸入

第1行,2個整數,n和w中間用空格隔開。n為物品的數量,w為揹包的容量。(1 <= n <= 100,1 <= w <= 10000)

第2 - n + 1行,每行2個整數,wi和pi,分別是物品的體積和物品的價值。(1 <= wi, pi <= 10000)

輸出

輸出可以容納的最大價值。

輸入示例

3 6

2 53 8

4 9

輸出示例

14

#include#include#includeusing namespace std;

const int max=1e4+10;

int dp[max];

struct nodegoods[max];

int main()

ans=max(ans,dp[m]);

} cout<

51NOD 揹包問題v2 動態規劃

有n種物品,每種物品的數量為c1,c2.cn。從中任選若干件放在容量為w的揹包裡,每種物品的體積為w1,w2.wn wi為整數 與之相對應的價值為p1,p2.pn pi為整數 求揹包能夠容納的最大價值。input 第1行,2個整數,n和w中間用空格隔開。n為物品的種類,w為揹包的容量。1 n 100...

51Nod 正整數分組(01揹包)

將一堆正整數分為2組,要求2組的和相差最小。例如 1 2 3 4 5,將1 2 4分為1組,3 5分為1組,兩組和相差1,是所有方案中相差最少的。input 第1行 乙個數n,n為正整數的數量。第2 n 1行,n個正整數。n 100,所有正整數的和 10000 output 輸出這個最小差input...

51nod 正整數分組 01揹包

將一堆正整數分為2組,要求2組的和相差最小。例如 1 2 3 4 5,將1 2 4分為1組,3 5分為1組,兩組和相差1,是所有方案中相差最少的。input 第1行 乙個數n,n為正整數的數量。第2 n 1行,n個正整數。n 100,所有正整數的和 10000 output 輸出這個最小差 inpu...