0-1背包问题四种不同算法的实现要点

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0_1背包问题的多种解法

0_1背包问题的多种解法

一、 问题描述0/1背包问题:现有n 种物品,对1<=i<=n ,已知第i 种物品的重量为正整数W i ,价值为正整数V i ,背包能承受的最大载重量为正整数W ,现要求找出这n 种物品的一个子集,使得子集中物品的总重量不超过W 且总价值尽量大。

(注意:这里对每种物品或者全取或者一点都不取,不允许只取一部分)二、 算法分析根据问题描述,可以将其转化为如下的约束条件和目标函数:)2(max )1()1}(1,0{11∑∑==⎪⎩⎪⎨⎧≤≤∈≤ni i i ini i i x v n i x Wx w 于是,问题就归结为寻找一个满足约束条件(1),并使目标函数式(2)达到最大的解向量),......,,,(321n x x x x X =。

首先说明一下0-1背包问题拥有最优解。

假设),......,,,(321n x x x x 是所给的问题的一个最优解,则),......,,(32n x x x 是下面问题的一个最优解:∑∑==⎪⎩⎪⎨⎧≤≤∈-≤ni i i ini i i x v n i x x w W x w 2211max )2}(1,0{。

如果不是的话,设),......,,(32n y y y 是这个问题的一个最优解,则∑∑==>n i ni ii ii xv y v 22,且∑=≤+ni iiW yw x w 211。

因此,∑∑∑====+>+ni i i n i n i i i i i x v x v x v y v x v 1221111,这说明),........,,,(321n y y y x 是所给的0-1背包问题比),........,,,(321n x x x x 更优的解,从而与假设矛盾。

穷举法:用穷举法解决0-1背包问题,需要考虑给定n 个物品集合的所有子集,找出所有可能的子集(总重量不超过背包重量的子集),计算每个子集的总重量,然后在他们中找到价值最大的子集。

浅谈0-1背包问题的常用算法

浅谈0-1背包问题的常用算法
消 费 电子 Байду номын сангаас
2 0 1 3年 1 0月下 C o n s u me r E l e c t r o n i c s Ma g a z i n e 技 术 交 流
浅谈 0 - 1 背包问题的常用算法
汤赫 男
( 吉林工商学院信息工程学院,长春 1 3 0 0 6 2) 摘 要 :0 -1 背 包问题是典型的 NP ~完全问题 ,无论从 理论 上还是 实践上都有一定的研究意义。本文综述 了几 种0 — 1背包问题的 常用算法 ,分析算法的优劣 ,预 测 0 - 1背包问题的发展方向。 关键 词 :0 — 1背包问题 ;动 态规划法 ;贪心法 ;分支界限法


∑w ,
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㈠ { “ } m a x ∑
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二 、常用 的 0 - 1 背 包问题算法 ( 一) 蛮力法。 蛮 力法又称穷举法或枚举法,是一种简单、 直接、有效的方法,是初学者入 门的方法 。蛮力法要求遍历所 有可能情 况一次且仅一次 ,筛选 出符合要求 的解。应用蛮力法 求解 0 - 1 背包 问题, 需要考虑给定的 n 个物品集合的所有子集, 找出所有总重量不超过背包容量的子集 ,计算每个可能子集的 总价值,然后找 出价值最大的子集 。对于一个具有 n个元素的 集合 ,其子集数量是 2 “,所 以,不论生成子集 的算法效率有 多高 ,蛮力法求解 0 - 1 背包 问题都会导致一个 Q ( 2 n )的算法 。 ( 二 )动 态规划法。动态规划 法是一种通用 的算 法设计 技术用来求解 多阶段决策最优 化问题。这类 问题都满 足最优 性原理,即原 问题 的最优 性包含着子 问题 的最优性 。 应用 动态规划法 求解 0 - 1 背包 问题 ,可 以将 0 — 1背包 问 题看 作一个 多阶段决策最 优化 问题 。n个物 品集合 的所 有子 集可 以看 作该 问题 的所有 可行解;这些可行解 都是满足约束 条件 的,可行解可能不止一个,通过 目标 函数找到最优解 。 动态 规划 法求解 0 - 1 背包 问题 的算法描述 : 设V ( n , C )表 示将 n个 物 品装入 容量 为 C的背 包获 得 的 最大价值 。 初 始 状 态 :V ( i , 0 ) = V ( 0 , j ) = 0 , 0≤ i ≤n , 0≤ j≤ C 则V ( i , j )表示 将前 i 个 物 品装入 容量 为 j的背 包获 得

蛮力法、动态规划法、回溯法和分支限界法求解01背包问题【精选】

蛮力法、动态规划法、回溯法和分支限界法求解01背包问题【精选】

一、实验内容:分别用蛮力法、动态规划法、回溯法和分支限界法求解0/1背包问题。

注:0/1背包问题:给定种物品和一个容量为的背包,物品的重n C i 量是,其价值为,背包问题是如何使选择装入背包内的物品,使得装i w i v 入背包中的物品的总价值最大。

其中,每种物品只有全部装入背包或不装入背包两种选择。

二、所用算法的基本思想及复杂度分析:1.蛮力法求解0/1背包问题:1)基本思想:对于有n 种可选物品的0/1背包问题,其解空间由长度为n 的0-1向量组成,可用子集数表示。

在搜索解空间树时,深度优先遍历,搜索每一个结点,无论是否可能产生最优解,都遍历至叶子结点,记录每次得到的装入总价值,然后记录遍历过的最大价值。

2)代码:#include<iostream>#include<algorithm>using namespace std;#define N 100//最多可能物体数struct goods //物品结构体{int sign;//物品序号int w;//物品重量int p;//物品价值}a[N];bool m(goods a,goods b){return (a.p/a.w)>(b.p/b.w);}int max(int a,int b){return a<b?b:a;}int n,C,bestP=0,cp=0,cw=0;int X[N],cx[N];/*蛮力法求解0/1背包问题*/int Force(int i){if(i>n-1){if(bestP<cp&&cw+a[i].w<=C){for (int k=0;k<n;k++)X[k]=cx[k];//存储最优路径bestP=cp;}return bestP;}cw=cw+a[i].w;cp=cp+a[i].p;cx[i]=1;//装入背包Force(i+1);cw=cw-a[i].w;cp=cp-a[i].p;cx[i]=0;//不装入背包Force(i+1);return bestP;}int KnapSack1(int n,goods a[],int C,int x[]){Force(0);return bestP;}int main(){goods b[N];printf("物品种数n: ");scanf("%d",&n);//输入物品种数printf("背包容量C: ");scanf("%d",&C);//输入背包容量for (int i=0;i<n;i++)//输入物品i 的重量w 及其价值v {printf("物品%d 的重量w[%d]及其价值v[%d]:",i+1,i+1,i+1);scanf("%d%d",&a[i].w,&a[i].p);b[i]=a[i];}int sum1=KnapSack1(n,a,C,X);//调用蛮力法求0/1背包问题printf("蛮力法求解0/1背包问题:\nX=[ ");for(i=0;i<n;i++)cout<<X[i]<<" ";//输出所求X[n]矩阵printf("]装入总价值%d\n",sum1);bestP=0,cp=0,cw=0;//恢复初始化}3)复杂度分析:蛮力法求解0/1背包问题的时间复杂度为:。

求解0—1背包问题算法综述

求解0—1背包问题算法综述

0-1背包问题是一种常见的动态规划问题,其目标是在给定背包容量和物品集合的情况下,选择某些物品放入背包,使得背包内物品的总价值最大。

以下是求解0-1背包问题的算法综述:
1. 定义变量和参数:
* 物品集合:包括每个物品的重量和价值。

* 背包容量:表示背包能够容纳的最大重量。

* dp数组:用于存储每个状态下的最大价值,dp[i][j]表示前i个物品、背包承重为j时的最大价值。

2. 初始化dp数组:
* 对于每个物品i和背包容量j,如果物品i能够装入背包,则令dp[i][j]为0;否则,令dp[i][j]为负无穷。

3. 递推计算dp数组:
* 对于每个物品i和背包容量j,如果物品i能够装入背包,则令dp[i][j]为当前物品的价值加上前i-1个物品、背包容量为j-w[i]时的最大价值,即dp[i][j] = dp[i-1][j-w[i]] + p[i];否则,
令dp[i][j]为前i-1个物品、背包容量为j时的最大价值,即dp[i][j] = dp[i-1][j]。

4. 返回dp数组的最后一个元素,即为所求的最大价值。

以上是求解0-1背包问题的算法综述,实际实现时可以根据具体情况进行优化,以提高算法的效率和性能。

0-1背包问题的算法决策分析

0-1背包问题的算法决策分析

0-1背包问题的算法决策分析【摘要】本文主要介绍了0-1背包问题的算法决策分析。

在我们首先概述了背包问题的基本概念,指出了其在实际应用中的重要性。

同时强调了本文的研究意义。

接着在我们详细讨论了动态规划算法、贪心算法、分支界限算法和穷举法在解决背包问题中的应用方法。

通过比较不同算法在背包问题中的性能,得出了结论部分的结论,包括不同算法在不同情况下的应用、算法决策的重要性以及为背包问题提供不同解决方案的价值。

本文旨在为研究者和决策者提供背包问题解决方案的参考,帮助他们更好地应对实际问题。

【关键词】关键词:0-1背包问题,算法决策分析,动态规划算法,贪心算法,分支界限算法,穷举法,性能比较,算法应用,算法决策,解决方案。

1. 引言1.1 背包问题概述0-1背包问题指的是给定一个背包,容量为C,以及一组物品,每个物品有自己的重量w和价值v。

要求在不超过背包容量的前提下,选择一些物品放入背包,使得背包中物品的总价值最大。

这是一个经典的组合优化问题,在计算机科学和运筹学中有着广泛的应用。

背包问题的概念最早可以追溯到20世纪50年代,当时被提出和研究。

由于其简洁的描述和丰富的应用场景,背包问题一直备受关注并被广泛研究。

在实际生活中,背包问题可以应用于资源分配、投资决策、装箱问题等方面,对于提高资源利用率和解决实际问题具有重要意义。

在解决背包问题的过程中,算法的选择对于问题的解决效率和准确性起着关键作用。

不同的算法在不同情况下可能表现出不同的性能,因此需要对不同算法进行综合比较和评估,以找到最适合特定情况下的解决方案。

本文将探讨动态规划算法、贪心算法、分支界限算法和穷举法在解决背包问题中的应用及性能表现,从而为背包问题的解决提供更多选择和参考。

1.2 背包问题的重要性背包问题是一个在计算机科学和数学领域非常重要的经典优化问题。

在现实生活中,我们常常会面临类似于背包问题的决策情境,需要在有限的资源下做出最优选择。

01背包问题多种解法

01背包问题多种解法

一、问题描绘0/1 背包问题 :现有 n 种物件,对1<=i<=n,已知第i 种物件的重量为正整数W i,价值为正整数V i,背包能蒙受的最大载重量为正整数W ,现要求找出这n 种物件的一个子集,使得子集中物品的总重量不超出W 且总价值尽量大。

(注意:这里对每种物件或许全取或许一点都不取,不一样意只取一部分)二、算法剖析依据问题描绘,能够将其转变为以下的拘束条件和目标函数:nw i x i W(1)i1x i{ 0,1}( 1i n)nmax v i x i (2)i1于是,问题就归纳为找寻一个知足拘束条件( 1 ),并使目标函数式( 2 )达到最大的解向量 X(x1, x2 , x3 ,......, x n ) 。

第一说明一下0-1 背包问题拥有最优解。

假定 (x1, x2 , x3 ,......, x n ) 是所给的问题的一个最优解,则 (x2 , x3,......, x n ) 是下边问题的nw i x i W w1x1 maxn一个最优解:i 2v i x i。

假如不是的话,设( y2, y3 ,......, y n ) 是这x i{ 0,1}( 2i n)i 2n n n个问题的一个最优解,则v i y i v i x i,且 w1x1w i y i W 。

因此,i 2i 2i 2n n nv1x1v i y i v1 x1v i x i v i x i,这说明 (x1, y2 , y3 ,........, y n ) 是所给的0-1 背包问i 2i 2i 1题比 ( x1 , x2 , x3 ,........, x n ) 更优的解,进而与假定矛盾。

穷举法:用穷举法解决0-1 背包问题,需要考虑给定n 个物件会合的所有子集,找出所有可能的子集(总重量不超出背包重量的子集),计算每个子集的总重量,而后在他们中找到价值最大的子集。

因为程序过于简单,在这里就不再给出,用实例说明求解过程。

背包问题

背包问题

(0-1)背包问题的解法小结1.动态规划法递推关系:– 考虑一个由前i 个物品(1≤i ≤n )定义的实例,物品的重量分别为w 1,…,w i ,价值分别为v 1,…,v i ,背包的承重量为j (1≤j ≤W )。

设V [I,j]为该实例的最优解的物品总价值– 分成两类子集:• 根据定义,在不包括第i 个物品的子集中,最优子集的价值是V [i -1,j ]• 在包括第i 个物品的子集中(因此,j -w ≥0),最优子集是由该物品和前i -1个物品中能够放进承重量为i -w j 的背包的最优子集组成。

这种最忧子集的总价值等于v i +V [i -1,j -w i ].0]0,[时,0 当0;][0,时,0初始条件:当],1[}],1[],,1[max{],[=≥=≥<≥⎩⎨⎧-+---=i V i j V j w j w j j i V v w j i V j i V j i V i i i i以记忆功能为基础的算法:用自顶向下的方式对给定的问题求解,另外维护一个类似自底向上动态规划算法使用的表格。

一开始的时候,用一种“null”符号创始化表中所有的单元,用来表明它们还没有被计算过。

然后,一旦需要计算一个新的值,该方法先检查表中相应的单元:如果该单元不是“null ”,它就简单地从表中取值;否则,就使用递归调用进行计算,然后把返回的结果记录在表中。

算法 MFKnapsack(I,j)//对背包问题实现记忆功能方法//输入:一个非负整数i 指出先考虑的物品数量,一个非负整数j 指出了背包的承重量 //输出:前i 个物品的最伏可行子集的价值//注意:我们把输入数组Weights[1..n],Values[1..n]和表格V[0..n,0..W]作为全局变量,除了行0和列0用0初始化以外,V 的所有单元都用-1做初始化。

if V[I,j]<01if j<Weights[i]value ←MFKnapsack(i-1,j)elsevalue ←max(MFKnapsack(i-1),j), Value[i]+MFKnapsack(i-1,j-eights[i]))V[I,j]←valuereturn V[I,j]2.贪心算法1) 背包问题基本步骤:首先计算每种物品单位重量的价值Vi/Wi ,然后,依贪心选择策略,将尽可能多的单位重量价值最高的物品装入背包。

#动态规划0-1背包问题思路概述

#动态规划0-1背包问题思路概述

#动态规划0-1背包问题思路概述01背包问题是动态规划中的经典问题。

本篇⽂章主题:分析与优化最基本的01背包问题,对此类问题解题有⼀个基本的解题模板。

问题概述:有⼀个背包,他的容量为C(Capacity)。

现在有n种不同的物品编号分别为0、1....n-1。

其中每⼀件物品的重量为w(i),价值为v(i)。

问可以向这个背包中放⼊哪些物品,使得在不超过背包容量的基础上,背包内物品价值最⼤。

思路:1.暴⼒法。

每⼀件物品都可以放进背包,也可以不放进背包。

找出所有可能组合⼀共2^n种组合时间复杂度:O((2^n)*n)2.动态规划法。

我们⾸先使⽤递归函数⾃上⽽下进⾏思考。

明确两点:第⼀、递归函数的定义第⼆、数据结构函数定义:F(n,C)递归函数定义:将n个物品放⼊容量为C的背包,使得价值最⼤。

这⾥要注意⼀下,第⼆个参数⼀定是剩余容量。

我们通过使⽤剩余容量来控制价值。

F(i,c) = F(i-1,c) = v(i) + F(i-1 , c-w(i))状态转移⽅程:F(i,c) = max( F(i-1 , c) , v(i) + F(i-1 , c-w(i) ) )即,当前价值的最⼤值为,不放⼊第i个物品(对应剩余容量为c)和放⼊第i个物品(对应剩余容量为C-w(i))两种情况的最⼤值。

数据结构:借某盗版视频中的⼀个例⼦:我们这⾥选择⼀个⼆维数组,来迭代记录处理的结果。

这个⼆维数组dp[n][C] 其中n为物品数量,C为最⼤容量。

储存的值dp[i][j]含义为:考虑放⼊0~i 这些物品,背包容量为j我们考虑放⼊第⼀个物品。

由于第⼀个物品,编号为0,重量为1,价值为2。

对于容量为0的背包,放不下该物品,所以该背包价值为0.其余容量1~5,均可放下该物品。

所以只考虑物品0,不同背包⼤⼩对应的最⼤可能价值如图。

第⼀⾏处理为初始化,从第⼆⾏开始进⾏迭代。

第⼆⾏开始,就需要单独处理。

考虑dp[1][0],背包容量为0,理所应当为0考虑dp[1][1],此处我们依旧⽆法放⼊物品1,所以我们使⽤上⼀层的结果,即0~0物品在容量为1背包情况的最⼤价值。

背包算法知识点总结

背包算法知识点总结

背包算法知识点总结背包问题是一种典型的组合优化问题,在计算机科学和运筹学中具有广泛的应用。

它的核心思想是在给定一组物品和背包容量的条件下,如何选择物品以使得背包中物品的总价值最大化。

背包问题可以分为0-1背包问题、完全背包问题和多重背包问题等类型。

0-1背包问题是最基本的背包问题,其中每个物品只有一件,且只能选择放入或不放入背包。

解决0-1背包问题通常采用动态规划的方法。

动态规划算法通过构建一个二维数组dp,其中dp[i][j]表示在前i个物品中,背包容量为j时的最大价值。

通过状态转移方程dp[i][j] = max(dp[i-1][j], dp[i-1][j-w[i]] + v[i]),其中w[i]和v[i]分别表示第i个物品的重量和价值,可以逐步填充dp数组,最终得到最优解。

完全背包问题与0-1背包问题的主要区别在于,完全背包问题中的物品可以无限选取。

这意味着对于每个物品,可以选择放入0个、1个、2个,甚至更多个。

解决完全背包问题同样可以采用动态规划的方法,但状态转移方程有所不同。

对于完全背包问题,dp[i][j] =max(dp[i-1][j], dp[i-1][j-w[i]] + v[i]),其中如果j >= w[i],则需要考虑所有可能的选取数量。

多重背包问题是0-1背包问题和完全背包问题的结合,其中每种物品有限定的数量。

解决多重背包问题需要对每种物品的数量进行遍历,然后采用0-1背包问题的动态规划方法来求解。

除了动态规划,背包问题还可以通过贪心算法、回溯算法等方法求解。

贪心算法通过每次选择当前价值最大的物品来构建解,但这种方法并不总是能够得到最优解。

回溯算法则通过搜索所有可能的解空间来寻找最优解,但时间复杂度较高。

在实际应用中,背包问题可以用于资源分配、投资组合优化、货物装载等问题。

通过合理的算法设计和优化,可以有效地解决这些实际问题,提高资源的利用效率。

总结来说,背包问题是一类重要的组合优化问题,通过动态规划等算法可以有效求解。

0-1背包问题的各种算法求解

0-1背包问题的各种算法求解

一.动态规划求解0-1背包问题/************************************************************************/ /* 0-1背包问题:/* 给定n种物品和一个背包/* 物品i的重量为wi,其价值为vi/* 背包的容量为c/* 应如何选择装入背包的物品,使得装入背包中的物品/* 的总价值最大?/* 注:在选择装入背包的物品时,对物品i只有两种选择,/* 即装入或不装入背包。

不能将物品i装入多次,也/* 不能只装入部分的物品i。

/*/* 1. 0-1背包问题的形式化描述:/* 给定c>0, wi>0, vi>0, 0<=i<=n,要求找到一个n元的/* 0-1向量(x1, x2, ..., xn), 使得:/* max sum_{i=1 to n} (vi*xi),且满足如下约束:/* (1) sum_{i=1 to n} (wi*xi) <= c/* (2) xi∈{0, 1}, 1<=i<=n/*/* 2. 0-1背包问题的求解/* 0-1背包问题具有最优子结构性质和子问题重叠性质,适于/* 采用动态规划方法求解/*/* 2.1 最优子结构性质/* 设(y1,y2,...,yn)是给定0-1背包问题的一个最优解,则必有/* 结论,(y2,y3,...,yn)是如下子问题的一个最优解:/* max sum_{i=2 to n} (vi*xi)/* (1) sum_{i=2 to n} (wi*xi) <= c - w1*y1/* (2) xi∈{0, 1}, 2<=i<=n/* 因为如若不然,则该子问题存在一个最优解(z2,z3,...,zn),/* 而(y2,y3,...,yn)不是其最优解。

那么有:/* sum_{i=2 to n} (vi*zi) > sum_{i=2 to n} (vi*yi)/* 且,w1*y1 + sum_{i=2 to n} (wi*zi) <= c/* 进一步有:/* v1*y1 + sum_{i=2 to n} (vi*zi) > sum_{i=1 to n} (vi*yi)/* w1*y1 + sum_{i=2 to n} (wi*zi) <= c/* 这说明:(y1,z2,z3,...zn)是所给0-1背包问题的更优解,那么/* 说明(y1,y2,...,yn)不是问题的最优解,与前提矛盾,所以最优/* 子结构性质成立。

0-1背包问题的算法决策分析

0-1背包问题的算法决策分析

0-1背包问题的算法决策分析0-1背包问题是一个经典的组合优化问题,也是计算机科学和数学领域中的一个重要问题。

在实际应用中,0-1背包问题通常用于优化问题的求解,比如资源分配、货物装载等方面。

在这篇文章中,我们将对0-1背包问题的算法决策进行分析,并探讨不同算法的优缺点。

0-1背包问题的描述很简单,假设有n件物品和一个容量为W的背包。

每件物品的重量为w[i],价值为v[i]。

现在需要选择一些物品装入背包,使得背包中的物品价值最大,同时不能超过背包的容量。

这个问题可以用一个0-1的决策变量来表示,即选择物品装入背包或者不选择。

这个问题被称为0-1背包问题。

对于0-1背包问题,有多种解法和算法可以求解。

常见的算法包括贪心算法、动态规划算法、回溯算法等。

在下面的内容中,我们将对这些算法进行具体的分析和比较。

贪心算法贪心算法是一种简单而有效的算法,它通过每一步的局部最优选择来构建全局最优解。

在0-1背包问题中,可以使用贪心算法按物品的单位价值(即每单位重量所能获得的价值)从大到小的顺序选择物品放入背包。

贪心算法的优点是简单、高效,时间复杂度低。

贪心算法并不一定能够得到最优解。

因为贪心算法只关注当前的局部最优解,而忽略了全局最优解的可能性。

在某些情况下,贪心算法无法得到最优解。

动态规划算法动态规划算法是求解0-1背包问题的经典算法之一。

动态规划算法将问题分解为子问题,并使用递推的方式求解子问题,最终得到全局最优解。

在0-1背包问题中,可以使用动态规划算法构建一个二维数组dp[i][j],表示前i件物品在背包容量为j时所能获得的最大价值。

动态规划算法的优点是能够得到最优解,并且在一定程度上能够减小时间复杂度。

动态规划算法的空间复杂度较高,且在某些情况下需要额外的优化。

动态规划算法需要注意状态转移方程和边界条件的设计,需要一定的技巧和功底。

回溯算法回溯算法是一种穷举搜索算法,它通过遍历所有可能的解空间来求解问题。

背包问题系列算法详解

背包问题系列算法详解

背包问题系列算法详解背包问题是一个关于最优解的经典问题。

通常被讨论的最多的,最经典的背包问题是0-1背包问题(0-1 Knapsack Problem)。

它是一切背包问题及相关背包问题的基础。

本篇博文将详细分析0-1背包问题,并给出0-1背包问题的几种解法,同时也对0-1背包问题的内涵进行延伸,丰富其外延至完全背包问题和多重背包问题,并给出背包问题的算法实现过程,希望对大家有帮助。

一、0-1背包问题有N件物品和一个容量为V的背包。

第i件物品(每个物品只有一件)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。

(1)递归求解算法如下:#include "iostream"#define CAPACITY 10#define GOODSNUM 6using namespace std;int nVol[GOODSNUM];int nValue[GOODSNUM];int knapsack(int itemIndex,int vol);void main(){int i=0,j=0;while(i<GOODSNUM){cout<<"input the "<<i+1<<"th item(volume and value):";cin>>nVol[i]>>nValue[i];i++;}cout<<"The max value is: "<<knapsack(GOODSNUM,CAPACITY)<<endl;}int knapsack(int itemIndex,int vol){if (itemIndex==0||vol==0){return 0;}else if (vol>=nVol[itemIndex] &&knapsack(itemIndex-1,vol)<knapsack(itemIndex-1,vol-nVol[itemIndex])+nValue[itemIndex ]){return knapsack(itemIndex-1,vol-nVol[itemIndex])+nValue[itemIndex];}elsereturn knapsack(itemIndex-1,vol);}分析:递归求解,求解过程中的绝大部分变量存在重复求解的过程,算法的效率较低,有待改进;那怎么改进呢?最有效的是用数组保存每次计算的结果,不用重复计算,于是有二维数组求解。

0-1背包问题的四种写法

0-1背包问题的四种写法

0-1背包问题的四种写法本节回顾0-1背包的基本模型,关于它的实现有很多种写法,这⾥对不同实现做个简单列举,主要是写代码练⼿了,主要有以下⼏⽅⾯内容:==0-1背包问题定义 & 基本实现==0-1背包使⽤滚动数组压缩空间==0-1背包使⽤⼀维数组==0-1背包恰好背满==0-1背包输出最优⽅案========================================0-1背包问题定义 & 基本实现问题:有个容量为V⼤⼩的背包,有很多不同重量weight[i](i=1..n)不同价值value[i](i=1..n)的物品,每种物品只有⼀个,想计算⼀下最多能放多少价值的货物。

DP的关键也是难点是找到最优⼦结构和重叠⼦问题,进⽽找到状态转移⽅程,编码就相对容易些。

最优⼦结构保证每个状态是最优的,重叠⼦问题也即n状态的求法和n-1状态的求法是⼀样的;DP在实现上⼀般是根据状态转移⽅程⾃底向上的迭代求得最优解(也可以使⽤递归⾃顶向下求解)。

回到0-1背包,每个物体i,对应着两种状态:放⼊&不放⼊背包。

背包的最优解是在⾯对每个物体时选择能够最⼤化背包价值的状态。

0-1背包的状态转移⽅程为f(i,v) = max{ f(i-1,v), f(i-1,v-c[i])+w[i] }f(i,v)表⽰前i个物体⾯对容量为v时背包的最⼤价值,c[i]代表物体i的cost(即重量),w[i]代表物体i的价值;如果第i个物体不放⼊背包,则背包的最⼤价值等于前i-1个物体⾯对容量v的最⼤价值;如果第i个物体选择放⼊,则背包的最⼤价值等于前i-1个物体⾯对容量v-cost[i]的最⼤价值加上物体i的价值w[i]。

对于实现,⼀般采⽤⼀个⼆维数组(状态转移矩阵)dp[i][j]来记录各个⼦问题的最优状态,其中dp[i][j]表⽰前i个物体⾯对容量j背包的最⼤价值。

下⾯给出0-1背包的基本实现,时间复杂度为O(N*V),空间复杂度也为O(N*V),初始化的合法状态很重要,对于第⼀个物体即f[0][j],如果容量j⼩于第⼀个物体(编号为0)的重量,则背包的最⼤价值为0,如果容量j⼤于第⼀个物体的重量,则背包最⼤价值便为该物体的价值。

背包问题的各种求解方法

背包问题的各种求解方法

背包问题的各种求解⽅法⼀、“0-1背包”问题描述: 给定n中物品,物品i的重量是w i,其价值为v i,背包的容量为c.问应如何选择装⼊背包中的物品,使得装⼊背包中的物品的总价值最⼤?形式化描述:给定c>0,w i>0,v i>0,1≤i≤n,要求找⼀个n元0-1向量(x1,x2,...,x n),x i∈{0,1},1≤i≤n,使得∑w i x i≤c,⽽且∑v i x i达到最⼤。

因此0-1背包问题是⼀个特殊的整形规划问题:max ∑v i x is.t ∑w i x i≤cx i∈{0,1},1≤i≤n⼆、动态规划求解(两种⽅法,顺序或逆序法求解) 1.最优⼦结构性质 1.1 简要描述 顺序:将背包物品依次从1,2,...n编号,令i是容量为c共有n个物品的0-1背包问题最优解S的最⾼编号。

则S'=S-{i}⼀定是容量为c-w i且有1,...,i-1项物品的最优解。

如若不是,领S''为⼦问题最优解,则V(S''+{i})>V(S'+{i}),⽭盾。

这⾥V(S)=V(S')+v i.逆序:令i是相应问题最优解的最低编号,类似可得。

1.2 数学形式化语⾔形式化的最优⼦结构 顺序(从前往后):设(y1,y2,...,y n)是所给问题的⼀个最优解。

则(y1,...,y n-1)是下⾯相应⼦问题的⼀个最优解: max ∑v i x is.t ∑w i x i≤cx i∈{0,1},1≤i≤n-1如若不然,设(z1,...,z n-1)是上述⼦问题的⼀个最优解,⽽(y1,...,y n-1)不是它的最优解。

由此可知,∑v i z i>∑v i y i,且∑v i z i+w n y n≤c。

因此∑v i y i+v n y n>∑v i y i(前⼀个范围是1~n-1,后⼀个是1~n) ∑v i z i+w n y n≤c这说明(z1,z2,...,y n)是⼀个所给问题的更优解,从⽽(y1,y2,...,y n)不是问题的所给问题的最优解,⽭盾。

0-1背包问题的算法决策分析.docx

0-1背包问题的算法决策分析.docx

0-1背包问题的算法决策分析.docx0-1 背包问题是一种常见的多部分搜索问题,其基本思想是:给定一组物品,各有其大小、重量和价值,求解将哪些物品放入背包可使背包重量不超过限制,并使其价值最大化。

在 0-1 背包问题中,一个典型的决策是选择第 i 件物品放入背包或不放入,此决策可用 0-1 矩阵表示。

例如如果物品 i 放入背包,则矩阵中第 i 行、第 0 列元素置为“ 1”,否则置为“ 0”。

求解背包最大价值,即从这个 0-1 矩阵中找出一组值为 1 的元素,使得它们构成的物品集合满足背包重量限制要求,并使物品价值总和最大。

在决策分析中,可以采用动态规划的方法求解 0-1 背包问题。

因此,同样的物品可以求解出最优解,而无需考虑物品顺序。

该方法可以利用子问题的重叠性,用最优子结构表示全局最优解,并通过某种有用的搜索策略将状态空间划分为若干子空间来解决问题。

动态规划法主要从两个方面分析背包问题,一个是贪心算法,另一个是动态规划法,其基本方法类似,但使用不同的思想。

对于贪心算法,首先将所有物品按照单位重量的价值从大到小排序,然后每次选择最有价值的物品放入背包,直至不能容纳为止。

这样可以保证在贪心算法得到的最优解中价值最高,但不能保证最优解是最优解,因此贪心算法只是单纯形式上的一种解决方案而不是最优解。

而动态规划法是一种有效的求解 0-1 背包问题的方法,它利用子问题的重叠性和最优子结构特性,以空间换时间,使问题的复杂度降低,以达到得到全局最优解的目的。

如果使用动态规划法,首先需要建立一个二维表,第一维表示背包存放的物品数量,第二维表示背包重量,在每个位置用表示当前情况下能获得的最大价值,然后采用递归的思想,按照物品价值最大、重量最小的原则,逐个求解出所有子问题,得到最有价值的价值最大的子结构。

最后根据子结构可得到最优解。

01背包问题及变种详解

01背包问题及变种详解

P01: 01背包问题题目有N件物品和一个容量为V的背包。

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。

基本思路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]}这个方程非常重要,基本上所有跟背包相关的问题的方程都是由它衍生出来的。

所以有必要将它详细解释一下:“将前i件物品放入容量为v的背包中”这个子问题,若只考虑第i件物品的策略(放或不放),那么就可以转化为一个只牵扯前i-1件物品的问题。

如果不放第i件物品,那么问题就转化为“前i-1件物品放入容量为v的背包中”,价值为f[i-1][v];如果放第i件物品,那么问题就转化为“前i-1件物品放入剩下的容量为v-c[i]的背包中”,此时能获得的最大价值就是f[i-1][v-c[i]]再加上通过放入第i件物品获得的价值w[i]。

优化空间复杂度以上方法的时间和空间复杂度均为O(VN),其中时间复杂度应该已经不能再优化了,但空间复杂度却可以优化到O。

先考虑上面讲的基本思路如何实现,肯定是有一个主循环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。

背包问题的多种解法

背包问题的多种解法

一、 问题描述0/1背包问题:现有n 种物品,对1<=i<=n ,已知第i 种物品的重量为正整数W i ,价值为正整数V i ,背包能承受的最大载重量为正整数W ,现要求找出这n 种物品的一个子集,使得子集中物品的总重量不超过W 且总价值尽量大。

(注意:这里对每种物品或者全取或者一点都不取,不允许只取一部分)二、 算法分析根据问题描述,可以将其转化为如下的约束条件和目标函数:)2(max )1()1}(1,0{11∑∑==⎪⎩⎪⎨⎧≤≤∈≤ni i i ini i i x v n i x Wx w 于是,问题就归结为寻找一个满足约束条件(1),并使目标函数式(2)达到最大的解向量),......,,,(321n x x x x X =。

首先说明一下0-1背包问题拥有最优解。

假设),......,,,(321n x x x x 是所给的问题的一个最优解,则),......,,(32n x x x 是下面问题的一个最优解:∑∑==⎪⎩⎪⎨⎧≤≤∈-≤ni i i ini i i x v n i x x w W x w 2211max )2}(1,0{。

如果不是的话,设),......,,(32n y y y 是这个问题的一个最优解,则∑∑==>n i ni ii ii xv y v 22,且∑=≤+ni iiW yw x w 211。

因此,∑∑∑====+>+ni i i n i n i i i i i x v x v x v y v x v 1221111,这说明),........,,,(321n y y y x 是所给的0-1背包问题比),........,,,(321n x x x x 更优的解,从而与假设矛盾。

穷举法:用穷举法解决0-1背包问题,需要考虑给定n 个物品集合的所有子集,找出所有可能的子集(总重量不超过背包重量的子集),计算每个子集的总重量,然后在他们中找到价值最大的子集。

0-1背包问题解说

0-1背包问题解说

0-1背包问题:有N件物品和一个容量为V的背包。

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这些物品的费用总和不超过背包容量,且价值总和最大。

这个问题的特点是:每种物品只有一件,可以选择放或者不放。

算法基本思想:利用动态规划思想,子问题为: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。

其状态转移方程是:f[i][v]=max{f[i-1][v],f[i-1][v-c[i]]+w[i]} //这个方程非常重要,基本上所有跟背包相关的问题的方程都是由它衍生出来的。

解释一下上面的方程:“将前i件物品放入容量为v的背包中”这个子问题,如果只考虑第i 件物品放或者不放,那么就可以转化为只涉及前i-1件物品的问题,即1、如果不放第i件物品,则问题转化为“前i-1件物品放入容量为v的背包中”;2、如果放第i件物品,则问题转化为“前i-1件物品放入剩下的容量为v-c[i]的背包中”(此时能获得的最大价值就是 f [i-1][v-c[i]]再加上通过放入第i件物品获得的价值w[i])。

则f[i][v]的值就是1、2中最大的那个值。

(注意:f[i][v]有意义当且仅当存在一个前i件物品的子集,其费用总和为v。

所以按照这个方程递推完毕后,最终的答案并不一定是f[N] [V],而是f[N][0..V]的最大值。

)优化空间复杂度:以上方法的时间和空间复杂度均为O(N*V),其中时间复杂度基本已经不能再优化了,但空间复杂度却可以优化到O(V)。

上面f[i][v]使用二维数组存储的,可以优化为一维数组f[v],将主循环改为:for i=1..Nfor v=V..0f[v]=max{f[v],f[v-c[i]]+w[i]};即将第二层循环改为从V..0,逆序。

解释一下:假设最大容量M=10,物品个数N=3,物品大小w{3,4,5},物品价值p{4,5,6}。

当进行第i次循环时,f[v]中保存的是上次循环产生的结果,即第i-1次循环的结果(i>=1)。

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兰州交通大学数理与软件工程学院题目0-1背包问题算法实现院系数理院专业班级信计09学生姓名雷雪艳学号200905130指导教师李秦二O一二年六月五日一、问题描述:1、0—1背包问题:给定n 种物品和一个背包,背包最大容量为M ,物品i 的重量是w i ,其价值是平P i ,问应当如何选择装入背包的物品,似的装入背包的物品的总价值最大? 背包问题的数学描述如下:2、要求找到一个n 元向量(x1,x2…xn),在满足约束条件:⎪⎩⎪⎨⎧≤≤≤∑10i i i x M w x 情况下,使得目标函数px ii ∑max ,其中,1≤i ≤n ;M>0;wi>0;pi>0。

满足约束条件的任何向量都是一个可行解,而使得目标函数达到最大的那个可行解则为最优解[1]。

给定n 种物品和1个背包。

物品i 的重量是wi ,其价值为pi ,背包的容量为M 。

问应如何装入背包中的物品,使得装人背包中物品的总价值最大?在选择装人背包的物品时,对每种物品i 只有两种选择,即装入背包、不装入背包。

不能将物品i 装人背包多次,也不能只装入部分的物品i 。

该问题称为0-1背包问题。

0-1背包问题的符号化表示是,给定M>0, w i >0, pi >0,1≤i ≤n ,要求找到一个n 元0-1向量向量(x1,x2…xn), X i =0 或1 , 1≤i ≤n, 使得Mwx ii≤∑ ,而且px ii∑达到最大[2]。

二、解决方案:方案一:贪心算法1、贪心算法的基本原理与分析贪心算法总是作出在当前看来是最好的选择,即贪心算法并不从整体最优解上加以考虑,它所作出的选择只是在某种意义上的局部最优解。

贪心算法不是对所有问题都能得到整体最优解,但对范围相当广的许多问题它能产生整体最优解。

在一些情况下,即使贪心算法不能得到整体最优解,但其最终结果却是最优解的很好近似解。

贪心算法求解的问题一般具有两个重要性质:贪心选择性质和最优子结构性质。

所谓贪心选择性质是指所求问题的整体最优解可以通过一系列局部最优解的选择,即贪心选择来达到。

这是贪心算法可行的第一个基本要素,也是贪心算法与动态规划算法的主要区别。

当一个问题的最优解包含其子问题的最优解时,称此问题具有最优子结构性质。

问题的最优子结构性质是该问题可用动态规划算法或贪心算法求解的关键特征。

2、0-1背包问题的实现对于0-1背包问题,设A 是能装入容量为c 的背包的具有最大价值的物品集合,则Aj=A-{j}是n-1个物品1,2,...,j-1,j+1,...,n 可装入容量为c-wj 的背包的具有最大价值的物品集合。

用贪心算法求解0-1背包问题的步骤是,首先计算每种物品单位重量的价值vi/wi ;然后,将物品进行排序,依贪心选择策略,将尽可能多的单位重量价值最高的物品装入背包。

若将这种物品全部装入背包后,背包内的物品总量未超过c ,则选择单位重量价值次高的物品并尽可能多地装入背包。

依此策略一直进行下去,直到背包装满为止。

3、算法设计如下:#include<iostream.h>#define max 100 //最多物品数void sort (int n,float a[max],float b[max]) //按价值密度排序{int j,h,k;float t1,t2,t3,c[max];for(k=0;k<n;k++)c[k]=a[k]/b[k];for(j=0;j<n;j++)if(c[j]<c[j+1]){t1=a[j];a[j]=a[j+1];a[j+1]=t1;t2=b[j];b[j]=b[j+1];b[j+1]=t2;t3=c[j];c[j]=c[j+1];c[j+1]=t3;}}void knapsack(int n,float limitw,float v[max],float w[max],int x[max]){float c1; //c1为背包剩余可装载重量int i;sort(n,v,w);//物品按价值密度排序c1=limitw;for(i=0;i<n;i++){if(w[i]>c1)break;x[i]=1;//x[i]为1时,物品i在解中c1=c1-w[i];}}void main(){int n,i,x[max]; floatv[max],w[max],totalv=0,totalw=0 ,limitw;cout<<"请输入n和limitw:"; cin>>n >>limitw;for(i=1;i<=n;i++)x[i]=0;//物品选择情况表初始化为0 cout<<"请依次输入物品的价值:"<<endl;for(i=1;i<=n;i++)cin>>v[i];cout<<endl;cout<<"请依次输入物品的重量:"<<endl;for(i=1;i<=n;i++)cin>>w[i];cout<<endl;knapsack (n,limitw,v,w,x);cout<<"the selection is:";for(i=1;i<=n;i++){cout<<x[i];if(x[i]==1){totalw=totalw+w[i];totalv=totalv+v[i];}}cout<<endl;cout<<"背包的总重量为:"<<totalw<<endl; //背包所装载总重量cout<<"背包的总价值为:"<<totalv<<endl; //背包的总价值}4、贪心算法运行结果如下图所示:方案二:动态规划算法1、动态规划的基本原理与分析动态规划算法的基本思想是将待求解问题分解成若干个子问题,先求解子问题,然后从这些子问题的解得到原问题的解。

但是经分解得到的子问题往往不是互相独立的。

不同子问题的数目常常只有多项式量级。

如果能够保存已解决的子问题的答案,而在需要时再找出已求得的答案,就可以避免大量重复计算,从而得到多项式时间算法。

它把已知问题分为很多子问题,按顺序求解子问题,在每一种情况下,列出各种情况的局部解,按条件从中选取那些最有可能产生最佳的结果舍弃其余。

前一子问题为后面子问题提供信息,而减少计算量,最后一个子问题的解即为问题解。

采用此方法求解0-1背包问题的主要步骤如下:①分析最优解的结构:最有子结构性质; ②建立递归方程; ③计算最优值; ④构造最优解[4]。

2、 0-1背包问题的实现① 最优子结构性质0-1背包问题具有最优子结构性质。

设(y1,y2…yn)是所给0-1背包问题的一个最优解,则(y2,y3…yn)是下面相应子问题的一个最优解:∑=ni k kk x v max⎪⎩⎪⎨⎧≤≤∈≤∑=n k i x j x w k ni k k k },1,0{因若不然,设(z2,z3…zn)是上述问题的一个最优解,而(y2,y3…yn)不是它的最优解,由此可见>∑=ni 2∑=ni ii yv 2,且∑=+ni ii z w 2w1y1≤c 。

因此>+∑=ni i i z v 2v1y1∑=ni ii y v 1∑=+ni ii z w 2w1y1≤c这说明(y1,z2…zn)是所给0-1背包问题的一个更优解,从而(y1,y2…yn)不是所给0-1背包问题的最优解。

此为矛盾[1]。

② 递归关系设所给0-1背包问题的子问题∑=nik kk x v max⎪⎩⎪⎨⎧≤≤∈≤∑=n k i x j x w k ni k k k },1,0{的最优值为m(i,j),即m(i,j)是背包容量为j ,可选择物品为i ,i+1,……,n 时0-1背包问题的最优值。

由0-1背包问题的最优子结构性质,可以建立计算m(i,j)的递归式如下:⎩⎨⎧<≤+≥+-++=wj j j i m wi j vi wi j i m j i m 0),,1(},),1(),),1(max{j)m(i,⎩⎨⎧<≤≥=wn j wnvnj 0j)m(n,3、算法设计如下: #include<iostream> #include<iomanip> using namespace std; const int MAX=1000; intw[MAX],v[MAX],best[MAX]; int V[MAX][MAX]; //最大价值矩阵int W,n; //W 为背包的最大载重量,n 为物品的数量//求最大值函数 int max(int x,int y) {return x >= y?x:y; }//求最小值函数 int min(int x,int y) {return x>= y ? y:x;}void Knaspack() {int Max=min(w[n]-1,W); for(int j=1; j <= Max ; j++) V[n][j]=0;for( j=w[n]; j <= W ; j++) V[n][j]=v[n];for(int i=n-1;i > 1 ; i--) { Max=min(w[i]-1,W); for( j=1; j <= Max ; j++) V[i][j]=V[i+1][j]; for( j=w[i]; j <= W; j++)V[i][j]=max(V[i+1][j],V[i+1][j-w[i]]+v[i]); }V[1][W]=V[2][W]; //先假设第一个物品不放入if(W > w[1])V[1][W]=max(V[1][W],V[2][ W-w[1]]+v[1]);}//生成向量数组,决定某一个物品是否应该放入背包void Traceback(){for(int i=1; i < n ; i++) //比较矩阵两邻两行(除最后一行),背包容量为W的最优值.{if(V[i][W] == V[i+1][W]) //如果当前行的最优值与下一行的最优值相等,则表明该物品不能放入。

best[i]=0;else//否则可以放入{best[i]=1;W-=w[i];}}best[n]=(V[n][W] )?1:0;}void main(){cout<<"输入商品数量n 和背包容量W:";cin>>n>>W;cout<<"输入每件商品的重量w:"<<endl;for(int i=1;i<=n;i++)cin>>w[i];memset(V,0,sizeof(V));cout<<"输入每件商品的价值v:"<<endl;for( i=1;i<=n;i++)cin>>v[i];Knaspack();//构造矩阵Traceback(); //求出解的向量数组int totalW=0;int totalV=0;//显示可以放入的物品cout<<"所选择的商品如下:"<<endl;cout<<"序号i:重量w:价格v:"<<endl;for(i=1; i <= n ; i++){if(best[i] == 1){totalW+=w[i];totalV+=v[i];cout<<setiosflags(ios::left)<<se tw(5)<<i<<" "<<w[i]<<" "<<v[i]<<endl;}}cout<<"放入的物品重量总和是:"<<totalW<<" 价值最优解是:"<<V[1][W]<<" "<<totalV<<endl;}4、计算复杂性分析利用动态规划求解0-1背包问题的复杂度为0(min{nc,2n}。

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