背包问题----完全背包(最优方案总数分析及实现)
本人博文《背包问题—-完全背包(详解|代码实现|背包具体物品的求解)》中已详细谈过完全背包问题,同时在博文《背包问题—01背包最优方案总数(原理剖析代码实现)》中也总结过01背包的最优方案总数的实现。这里我们模仿01背包最优方案总数方法给出完全背包的最优方案求解方法。
重写完全背包的动态规划的状态及状态方程:
完全背包是在N种物品中选取若干件(同一种物品可多次选取)放在空间为V的背包里,每种物品的体积为C1,C2,…,Cn,与之相对应的价值为W1,W2,…,Wn.求解怎么装物品可使背包里物品总价值最大。
设物品种类为N,背包容量为V,每种物品的体积为C[i],价值为W[i]。
子问题定义:F[i][j]表示前i种物品中选取若干件物品放入剩余空间为j的背包中所能得到的最大价值。
状态方程为:
(2-2)
在文章《背包问题—01背包最优方案总数(原理剖析代码实现)》中曾定义G[i][j]代表F[i][j]的方案总数。这里我们也做相同的定义,那么最终的结果应该为G[N][V]。
由01背包转变到完全背包后G[i][j]该怎么求?
对于01背包来说,G[i][j]求法如下(摘自:《背包问题—01背包最优方案总数(原理剖析代码实现)》):
如果F[i][j]=F[i-1][j]且F[i][j]!=F[i-1][j-C[i]]+W[i]说明在状态[i][j]时只有前i-1件物品的放入才会使价值最大,所以第i件物品不放入,那么到状态[i][j]的方案数应该等于[i-1][j]状态的方案数即G[i][j]=G[i-1][j];
如果F[i][j]=F[i-1][j-C[i]]+W[i] 且F[i][j]!=F[i-1][j]说明在状态[i][j]时只有第i件物品的加入才会使总价值最大,那么方案数应该等于[i-1][j-C[i]]的方案数,即G[i][j]=G[i-1][j-C[i]];
如果F[i][j]=F[i-1][j-C[i]]+W[i] 且F[i][j]=F[i-1][j]则说明即可以通过状态[i-1][j]在不加入第i件物品情况下到达状态[i][j],又可以通过状态[i-1][j-C[i]]在加入第i件物品的情况下到达状态[i][j],并且这两种情况都使得价值最大且这两种情况是互斥的,所以方案总数为G[i][j]=G[i-1][j-C[i]]+ G[i-1][j]。
对于完全背包,我们也可以根据其状态方程来进行条件判断:
如果F[i][j] = F[i-1][j]且F[i][j] != F[i][j-C[i]]+W[i],说明背包总不存在第i种物品,也就是说背包种物品仍由前i-1种物品组成,那么应该有G[i][j] = G[i-1][j];
如果F[i][j] = F[i][j-C[i]]+W[i]且F[i][j] != F[i-1][j],则说明背包中必定存在第i种物品使背包达到[i][j]状态的最大值,G[i][j] = G[i][j-C[i]];
如果F[i][j] = F[i][j-C[i]]+W[i]且F[i][j] = F[i-1][j],则说明背包中存在i与不存在i都可以达到最大值,那么这个方案数应该由两者叠加,因为这两种情况是互斥的,即G[i][j] = G[i-1][j]+G[i][j-C[i]]。
伪代码如下(注意和01背包情况的区分):
- F[0][] ← 0
- F[][0] ← 0
- G[][ ] ← 1
- for i ← 1 to N
- do for j ← 1 to V
- F[i][j] ← F[i-1][j]
- G[i][j] ← G[i-1][j]
- if (j >= C[i])
- if (F[i][j] < F[i][j-C[i]]+W[i])
- then F[i][j] ← F[i][j-C[i]]+W[i]
- G[i][j] ← G[i][j-C[i]]
- else if (F[i][j] = F[i][j-C[i]]+W[i])
- then G[i][j] ← G[i-1][j]+G[i][j-C[i]]
- return F[N][V] and G[N][V]
同样,上述方法在保存状态F[][]及G[][]时需要O(NV)的空间复杂度,下面我们对空间复制度进行优化。
压缩空间复杂度为O(V)
F[i][j]与G[i][j]只分别与F[i-1][]和G[i-1][]的状态有关,所以我们可以用两个一维数组F[]和G[]来替换二维数组F[][]和G[][]。
直接给出伪代码:
- F[] ← 0
- G[] ← 1
- for i ← 1 to N
- do for j ← C[i] to V
- if (F[j] < F[j-C[i]]+W[i])
- then F[j] ← F[j-C[i]]+W[i]
- G[j] ← G[j-C[i]]
- else if (F[j] = F[j-C[i]]+W[i])
- then G[j] ← G[j]+G[j-C[i]]
- return F[V] and G[V]
和01背包的最优方案总数相比上述伪代码只是调换了一下C[i]与V的遍历顺序,具体思想请看博文《背包问题——“完全背包”详解及实现(包含背包具体物品的求解)》
下面对数据表给出以上两种不同空间复杂度的详细代码:
物品号i | 1 | 2 | 3 |
体积C | 2 | 2 | 2 |
价值W | 5 | 5 | 5 |
因为完全背包的方案一般较多,这里只列举3种物品,方便大家验证。
//时间复杂度O(VN),空间复杂度为O(VN)
#include <iostream> #include <cstring> #define N 101 using namespace std; int MaxValueTable[N][N],OptimalTable[N][N]; int Package02Optimal(int Weight[], int Value[], int nLen, int nCapacity) { //initiallize all OptimalTable[][] with 1 for(int i = 0; i <= nLen; i++) for(int j = 0; j <= nCapacity; j++) OptimalTable[i][j] = 1; for(int i2 = 1; i2 <= nLen; i2++) { for(int j2 = 1; j2 <= nCapacity; j2++) { MaxValueTable[i2][j2] = MaxValueTable[i2-1][j2]; OptimalTable[i2][j2] = OptimalTable[i2-1][j2]; if(j2 >= Weight[i2-1]) { if(MaxValueTable[i2][j2] < MaxValueTable[i2][j2-Weight[i2-1]]+Value[i2-1]) { MaxValueTable[i2][j2] = MaxValueTable[i2][j2-Weight[i2-1]]+Value[i2-1]; OptimalTable[i2][j2] = OptimalTable[i2][j2-Weight[i2-1]]; } else if(MaxValueTable[i2][j2] == (MaxValueTable[i2][j2-Weight[i2-1]]+Value[i2-1])) { OptimalTable[i2][j2] = OptimalTable[i2-1][j2]+OptimalTable[i2][j2-Weight[i2-1]]; } } } } cout << endl << "OptimalCount:" << OptimalTable[nLen][nCapacity] << endl; int nRet = MaxValueTable[nLen][nCapacity]; return nRet; } int main() { //int Weight[] = {3,2,5,1,6,4}; //int Value[] = {6,5,10,2,16,8}; int Weight[] = {2,2,2}; int Value[] = {5,5,5}; int nCapacity = 10; cout << "MaxValue:" << Package02Optimal(Weight,Value,sizeof(Weight)/sizeof(int),nCapacity) << endl; // cout << "MaxValue:" << Package02Optimal_Compress(Weight,Value,sizeof(Weight)/sizeof(int),nCapacity) << endl; return 0; }
//时间复杂度O(VN),空间复杂度为O(V)
#include<iostream> using namespace std; #define Size 1111 int dp[Size]; int OptimalTable[Size]; int Max(int x,int y) { return x>y?x:y; } int Package01_Compress(int Weight[], int Value[], int goodsN, int maxWeight){ int i,j; /*======初始化======*/ memset(dp,0,sizeof(dp)); for(int kt=0;kt<=maxWeight;kt++) OptimalTable[kt]=1; /*======初始化======*/ for(i=1;i<=goodsN;i++) //即怎么都有一种 for(j=Weight[i];j<=maxWeight;j++){ if(dp[j]<(dp[j-Weight[i]]+Value[i])){//说明选第i最优 dp[j] = dp[j-Weight[i]]+Value[i]; OptimalTable[j]=OptimalTable[j-Weight[i]];//方案数和[j-Weight[i]]一样 } else if(dp[j]==(dp[j-Weight[i]]+Value[i])){ OptimalTable[j] = OptimalTable[j-Weight[i]]+OptimalTable[j]; } } return dp[maxWeight]; } int main() { int va[Size],vm[Size]; int t,n,m; int i; cin>>t; //t组测试数据 while(t--) { cin>>n>>m; //n为个数,m为最大载重量 for(i=1;i<=n;i++) cin>>va[i]; for(i=1;i<=n;i++) cin>>vm[i]; int myWhats=Package01_Compress(vm,va, n, m); cout<<myWhats<<endl; cout<<"-----一共有"<<OptimalTable[m]<<"组最优情况"<<endl; } return 0; }
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