动态规划:《背包问题》-python实现

0-1 背包问题:给定 n 种物品和一个容量为 C 的背包,物品 i 的重量是 wi,其价值为 vi 。

问:应该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?

分析一波,面对每个物品,我们只有选择拿取或者不拿两种选择,不能选择装入某物品的一部分,也不能装入同一物品多次。

解决办法:声明一个 大小为  m[n][c] 的二维数组,m[ i ][ j ] 表示 在面对第 i 件物品,且背包容量为  j 时所能获得的最大价值 ,那么我们可以很容易分析得出 m[i][j] 的计算方法,

(1). j < w[i] 的情况,这时候背包容量不足以放下第 i 件物品,只能选择不拿

m[ i ][ j ] = m[ i-1 ][ j ]

(2). j>=w[i] 的情况,这时背包容量可以放下第 i 件物品,我们就要考虑拿这件物品是否能获取更大的价值。

如果拿取,m[ i ][ j ]=m[ i-1 ][ j-w[ i ] ] + v[ i ]。 这里的m[ i-1 ][ j-w[ i ] ]指的就是考虑了i-1件物品,背包容量为j-w[i]时的最大价值,也是相当于为第i件物品腾出了w[i]的空间。

如果不拿,m[ i ][ j ] = m[ i-1 ][ j ] , 同(1)

究竟是拿还是不拿,自然是比较这两种情况那种价值最大。

由此可以得到状态转移方程:

 
  1. if(j>=w[i])

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

  3. else

  4. m[i][j]=m[i-1][j];

例:0-1背包问题。在使用动态规划算法求解0-1背包问题时,使用二维数组m[i][j]存储背包剩余容量为j,可选物品为i、i+1、……、n时0-1背包问题的最优值。绘制

价值数组v = {8, 10, 6, 3, 7, 2},

重量数组w = {4, 6, 2, 2, 5, 1},

背包容量C = 12时对应的m[i][j]数组。

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 0 0 0 8 8 8 8 8 8 8 8 8
2 0 0 0 8 8 10 10 10 10 18 18 18
3 0 6 6 8 8 14 14 16 16 18 18 24
4 0 6 6 9 9 14 14 17 17 19 19 24
5 0 6 6 9 9 14 14 17 17 19 21 24
6 2 6 8 9 11 14 16 17 19 19 21 24

(第一行和第一列为序号,其数值为0)
如m[2][6],在面对第二件物品,背包容量为6时我们可以选择不拿,那么获得价值仅为第一件物品的价值8,如果拿,就要把第一件物品拿出来,放第二件物品,价值10,那我们当然是选择拿。m[2][6]=m[1][0]+10=0+10=10;依次类推,得到m[6][12]就是考虑所有物品,背包容量为C时的最大价值。

 
  1. #include <iostream>

  2. #include <cstring>

  3. using namespace std;

  4.  
  5.  
  6. const int N=15;

  7.  
  8.  
  9. int main()

  10. {

  11.     int v[N]={0,8,10,6,3,7,2};

  12.     int w[N]={0,4,6,2,2,5,1};

  13.  
  14.  
  15.     int m[N][N];

  16.     int n=6,c=12;

  17.     memset(m,0,sizeof(m));

  18.     for(int i=1;i<=n;i++)

  19.     {

  20.         for(int j=1;j<=c;j++)

  21.         {

  22.             if(j>=w[i])

  23.                 m[i][j]=max(m[i-1][j],m[i-1][j-w[i]]+v[i]);

  24.  
  25.  
  26.             else

  27.                 m[i][j]=m[i-1][j];

  28.         }

  29.     }

  30.  
  31.  
  32.     for(int i=1;i<=n;i++)

  33.     {

  34.         for(int j=1;j<=c;j++)

  35.         {

  36.             cout<<m[i][j]<<' ';

  37.         }

  38.         cout<<endl;

  39.     }

  40.  
  41.  
  42.     return 0;

  43. }

到这一步,可以确定的是可能获得的最大价值,但是我们并不清楚具体选择哪几样物品能获得最大价值。

另起一个 x[ ] 数组,x[i]=0表示不拿,x[i]=1表示拿。

m[n][c]为最优值,如果m[n][c]=m[n-1][c] ,说明有没有第n件物品都一样,则x[n]=0 ; 否则 x[n]=1。当x[n]=0时,由x[n-1][c]继续构造最优解;当x[n]=1时,则由x[n-1][c-w[i]]继续构造最优解。以此类推,可构造出所有的最优解。(这段全抄算法书,实在不知道咋解释啊。。)

#coding:utf-8
import sys


def track(d, c, w):                                              #输出最优路径
    x = []
    for i in range(len(w), 1, -1):                               #m[n][c]为最优值,如果m[n][c]=m[n-1][c] ,说明有没有第n件物品都一样
        if d[i][c] != d[i - 1][c]:
            x.append(w[i - 1])
            c = c - w[i - 1]
    if d[1][c] > 0:
        x.append(w[0])

    return x

if __name__ == '__main__':
    c = input()                                                 #输入一个限制条件,例如背包的体积为c
    w = sys.stdin.readline().strip().split(' ')                 #每个物品的体积
    w = map(int, w)
    v = sys.stdin.readline().strip().split(' ')                 #对应每个物体的价值
    v = map(int, v)

    dp = [[0] * (c + 1) for i in range(len(w) + 1)]             #动态规划矩阵

    for i in range(1, len(w) + 1):
        for j in range(1, c + 1):
            if j >= w[i - 1]:
                dp[i][j] = max(dp[i - 1][j], dp[i - 1][j - w[i - 1]] + v[i - 1])         #动态转移方程
            else:
                dp[i][j] = dp[i - 1][j]

    print max(dp[len(w)])                                       #输出最大值

    print track(dp, c, w)                                       #输出最优路径

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