動態規劃python實現

2021-08-17 17:13:38 字數 4280 閱讀 9105

考慮乙個場景:當你有去沙漠旅行,你有乙個揹包和一些物品,揹包有最大承受重量,物品也有重量和價值,而物品種類很多,不可能全都裝在揹包裡,如何去選取價值總量最高的物品組合呢?

物品名價值

water

10book

3food

9jacket

5camera

6物品名

重量water

3kgbook

1kgfood

2kgjacket

2kgcamera

1kg考慮使用貪婪演算法,那就是什麼價值高就優先拿什麼,但有時這種近似解會不准,這時就要採用動態規劃方法:從小問題入手,逐步解決大問題,可以幫助你在給定約束條件下找到最優解

首先定義乙個**,橫座標是揹包重量,縱座標是物品名稱,填入值是當前物品,當前揹包重量的最大價值:

物品/揹包重量

1kg2kg

3kg4kg

5kg6kg

water

book

food

jacket

camera

動態規劃的解決方案就是把這張表填好,然後根據揹包重量選擇在該重量下最大價值所組成的物品

填入規則:每一行只能拿取當前行和之前行的物品

先看第一行water,這時只有water,沒有之前的物品,而water的重量是3kg,那麼在1kg,2kg的揹包就裝不下water,在3kg以上重量的揹包就可以放入water,結果如下:

注:這時候只有水,沒有其他的

現在再看第二行book,這時候可以拿的物品就有book和water,而book的重量是1kg

在1kg揹包時可以放入book

2kg揹包也只能放book(water放不下)

當3kg的揹包時,這時候會面臨選擇,因為water的重量是3kg,可以放water,也可以放book,那麼取價值最大的放進揹包(water的價值是10,book是3)

當4kg的揹包時,water和book的總重正好是4kg,這時可以把這兩個都放進去,所以第二行結果如下:

再看第三行,這時候可以拿water,book,food

在1kg揹包時還是只能放下book

當2kg揹包時多了個選項,因為food的重量是2kg,所以去價值最大的放在包裡(food的價值是9)

3kg的時候的選擇有:(1)放入water,(2)放入book,food,對比價值大小選擇放入book和food,

4kg時根據價值最大原則,放入food和water

5kg時放入water和food

6kg是放入water,food,book剛好都放下了

結果為:

第四行和第五行也是採用這樣的策略填入價值,最終結果為:

其實這裡填的數字是有規律的:

現為方便說明把上面的圖表轉化為矩陣為:

那麼填入的原則為:

table[i][j]= max(table[i-1][j],當前商品的價值+剩餘空間價值(table[i-1][j-當前商品重量]))

注:如果處於特殊位置,如table[0][0]單元格,沒有table[i-1][j]那麼就是0  

例:table[3][4]=max(table[2][4],worth(jacket)+table[2][4-weight(jacket)])

=max(19,5+10)

=19與之前一步步推算的結果一致

又例:table[0][4]=max(table[0-1][4],worth(water)+table[0-1][4-weight(water)]     (因為是第一行,所以有些資料是空的,定為0)

=max(0,10+0)

=10同樣與之前推算的結果一致

那既然有邏輯有公式,那就可以寫**了:

python版本3.6

使用庫:numpy

#動態規劃

import numpy as np

#定義重量

weight={}

weight["water"]=3

weight["book"]=1

weight["food"]=2

weight["jacket"]=2

weight["camera"]=1

#定義價值

worth={}

worth["water"]=10

worth["book"]=3

worth["food"]=9

worth["jacket"]=5

worth["camera"]=6

#存放行標對應的物品名:

table_name={}

table_name[0]="water"

table_name[1]="book"

table_name[2]="food"

table_name[3]="jacket"

table_name[4]="camera"

#建立矩陣,用來儲存價值表

table=np.zeros((len(weight),6))

#建立矩陣,用來儲存每個單元格中的價值是如何得到的(物品名)

table_class=np.zeros((len(weight), 6), dtype=np.dtype((np.str_,500)))

for i in range(0,len(weight)):

for j in range(0,6):

# 獲取重量

this_weight = weight[table_name[i]]

# 獲得價值

this_worth = worth[table_name[i]]

#獲取上乙個單元格 (i-1,j)的值

if(i>0):

before_worth=table[i-1,j]

#獲取(i-1,j-重量)

temp=0

if(this_weight<=j):

temp=table[i-1,j-this_weight]

#(i-1,j-this_weight)+求當前商品價值

#判斷this_worth能不能用,即重量有沒有超標,如果重量超標了是不能加的

synthesize_worth=0

if(this_weight-1<=j):

synthesize_worth=this_worth+temp

#與上乙個單元格比較,哪個大寫入哪個

if(synthesize_worth>before_worth):

table[i,j]=synthesize_worth

if(temp==0):

#他自己就超過了

table_class[i][j] = table_name[i]

else:

# 他自己和(i-1,j-this_weight)

table_class[i][j] = table_name[i] + "," + table_class[i - 1][j - this_weight]

else:

table[i,j]=before_worth

table_class[i][j]=table_class[i-1][j]

else:

#沒有(i-1,j)那更沒有(i-1,j-重量),就等於當前商品價值,或者重量不夠,是0

if(this_weight-1<=j):

table[i,j]=this_worth

table_class[i][j]=table_name[i]

print(table)

print("--------------------------------------")

print(table_class)

最終結果:

如圖紅框部分可知:當揹包重量為6kg是,選擇camera,food,water可使價值最大

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