1. 问题描述
有 N N N 种物品,物品 i i i 的重量为 w i w_i wi,价格为 v i v_i vi,背包所能容纳的最大重量为 W W W,求背包内装入物品总价值的最大值。其中, N , W , w i , v i ≥ 0 N, W, w_i, v_i \geq 0 N,W,wi,vi≥0。
若每种物品仅有一件,即每种物品的状态为 x i x_i xi, x i ∈ { 0 , 1 } x_i \in \{0,1\} xi∈{0,1},则称该问题为0-1 背包问题。
2. 数学描述
约束条件:
(1)
{
∑
i
=
1
N
w
i
x
i
≤
W
x
i
∈
{
0
,
1
}
(
1
≤
i
≤
N
)
\left\{\begin{aligned} & \sum_{i=1}^N w_ix_i \leq W \tag{1} \\ & x_i \in \{0,1\} \ \ \ \ (1 \leq i \leq N) \end{aligned} \right.
⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧i=1∑Nwixi≤Wxi∈{0,1} (1≤i≤N)(1)
目标函数:
(2)
∑
i
=
1
N
v
i
x
i
\begin{aligned} & \sum_{i=1}^N v_ix_i \tag{2} \end{aligned}
i=1∑Nvixi(2)
该问题可以描述为:求满足约束条件 (1),同时使目标函数 (2) 最大的解向量 X = ( x 1 , x 2 , ⋯   , x N ) X = (x_1, x_2, \cdots ,x_N) X=(x1,x2,⋯,xN)。
3. 解题思路
0-1 背包是一类经典的动态规划问题,求解关键在于推倒递推公式。
-
设 N N N 为物品总数, W W W 为背包最大容纳重量,定义一个规模为 N ∗ ( W + 1 ) N * (W+1) N∗(W+1) 的二维数组。这里以 N = 5 N = 5 N=5, W = 10 W =10 W=10 为例说明。
-
d p ( i , j ) dp(i,j) dp(i,j) 表示可选前 i i i 件物品,在背包容量为 j j j 时,背包内装入物品的最大值 。
-
自上向下,自左向右,填充该二维数组。
- 第一行,可选物品仅为 ①。
d p ( 1 , j ) = { 0 j ∈ [ 0 , 2 ) 6 j ∈ [ 2 , 10 ] dp(1,j)= \left\{\begin{aligned} & 0 \ \ \ \ j \in [0,2) \\ & 6 \ \ \ \ j \in [2,10] \end{aligned} \right. dp(1,j)={0 j∈[0,2)6 j∈[2,10]
| i | w i w_i wi | v i v_i vi | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 6 | 0 | 0 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 |
| 2 | 2 | 3 | |||||||||||
| 3 | 6 | 5 | |||||||||||
| 4 | 5 | 4 | |||||||||||
| 5 | 4 | 6 |
- 第二行,可选物品为 ①②,可借助第一行结果进行计算。这两行的区别仅在于物品 ② 是否应该放入,有两种情况:
(1) 不放入物品 ②,背包总价值不变,即 d p ( 2 , j ) = d p ( 1 , j ) dp(2,j) = dp(1,j) dp(2,j)=dp(1,j)
(2) 放入物品 ②,背包应保证足够剩余容量,也就是在 d p ( 1 , j − w 2 ) dp(1,j-w_2) dp(1,j−w2) 的基础上放入,即 d p ( 2 , j ) = d p ( 1 , j − w 2 ) + v 2 dp(2,j) = dp(1,j-w_2) + v_2 dp(2,j)=dp(1,j−w2)+v2
二者取最大值,即 d p ( 2 , j ) = m a x ( d p ( 1 , j ) , d p ( 1 , j − w 2 ) + v 2 ) dp(2,j) = max(dp(1,j),dp(1,j-w_2) + v_2) dp(2,j)=max(dp(1,j),dp(1,j−w2)+v2)
| i | w i w_i wi | v i v_i vi | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 6 | 0 | 0 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 |
| 2 | 2 | 3 | 0 | 0 | 6 | 6 | 9 | 9 | 9 | 9 | 9 | 9 | 9 |
| 3 | 6 | 5 | |||||||||||
| 4 | 5 | 4 | |||||||||||
| 5 | 4 | 6 |
- 第
i
i
i 行,可选物品为
{
1
,
⋯
 
,
i
}
\{1, \cdots ,i\}
{1,⋯,i},借助第
i
−
1
i-1
i−1 行结果进行计算。这两行的区别仅在于物品
i
i
i 是否应该放入,有两种情况:
(1) 不放入物品 i i i,背包总价值不变,即 d p ( i , j ) = d p ( i − 1 , j ) dp(i,j) = dp(i-1,j) dp(i,j)=dp(i−1,j)
(2) 放入物品 i i i,背包应保证足够剩余容量,也就是在 d p ( i − 1 , j − w i ) dp(i-1,j-w_i) dp(i−1,j−wi) 的基础上放入,即 d p ( i , j ) = d p ( i − 1 , j − w i ) + v i dp(i,j) = dp(i-1,j-w_i) + v_i dp(i,j)=dp(i−1,j−wi)+vi
二者取最大值,即 d p ( i , j ) = m a x ( d p ( i − 1 , j ) , d p ( i − 1 , j − w i ) + v i ) dp(i,j) = max(dp(i-1,j),dp(i-1,j-w_i) + v_i) dp(i,j)=max(dp(i−1,j),dp(i−1,j−wi)+vi)
| i | w i w_i wi | v i v_i vi | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 6 | 0 | 0 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 |
| 2 | 2 | 3 | 0 | 0 | 6 | 6 | 9 | 9 | 9 | 9 | 9 | 9 | 9 |
| 3 | 6 | 5 | 0 | 0 | 6 | 6 | 9 | 9 | 9 | 9 | 11 | 11 | 14 |
| 4 | 5 | 4 | 0 | 0 | 6 | 6 | 9 | 9 | 9 | 10 | 11 | 13 | 14 |
| 5 | 4 | 6 | 0 | 0 | 6 | 6 | 9 | 9 | 12 | 12 | 15 | 15 | 15 |
综上,状态转移方程为:
(1) d p ( 1 , j ) = { 0 0 ≤ j < w 1 v 1 j ≥ w 1 dp(1,j)= \left\{\begin{aligned} & 0 \ \ \ \ 0 \leq j < w_1 \tag{1} \\ & v_1 \ \ \ \ j \geq w_1 \end{aligned} \right. dp(1,j)={0 0≤j<w1v1 j≥w1(1)
(2) d p ( i , j ) = { d p ( i − 1 , j ) 0 ≤ j < w i m a x ( d p ( i − 1 , j ) , d p ( i − 1 , j − w i ) + v i ) j ≥ w i dp(i,j)= \left\{\begin{aligned} & dp(i-1,j) \ \ \ \ 0 \leq j < w_i \tag{2} \\ & max(dp(i-1,j),dp(i-1,j-w_i) + v_i) \ \ \ \ j \geq w_i \end{aligned} \right. dp(i,j)={dp(i−1,j) 0≤j<wimax(dp(i−1,j),dp(i−1,j−wi)+vi) j≥wi(2)
求解过程就是填充规模为 { N ∗ ( W + 1 ) } \{N * (W+1)\} {N∗(W+1)} 的二维数组,每次填充仅需 O ( 1 ) \mathcal{O}(1) O(1) 时间,故算法的时间复杂度为 O ( N W ) \mathcal{O}(NW) O(NW)。
动态规划特点总结:
-
问题分解。将大问题转化为子问题,借助子问题的结果求解大问题。
-
状态转移。每个子问题或者子子问题的求解结果都视为一个状态,状态转移过程即问题的转化、复合过程。
-
记忆化搜索。用空间换时间,存储子问题的结果作为后续大问题求解的已知条件。
4. 算法优化
以上过程存在空间优化潜力,计算第 i i i 行时,仅用到了第 i + 1 i+1 i+1 行结果。存储空间可以由二维数组 N ∗ ( W + 1 ) N*(W+1) N∗(W+1) 压缩为一维数组 W + 1 W+1 W+1。
状态更新过程应采用逆序遍历,即 j j j 从最大值开始,从大到小更新数组。若采用顺序更新, d p ( j − w i ) dp(j-w_i) dp(j−wi) 更新在前、使用在后,导致 i − 1 i-1 i−1 行结果在未被使用之前就被覆盖了。
状态转移方程为,
d p ( j ) = { m a x ( d p ( j ) , d p ( j − w i ) + v i ) j ≥ w i d p ( j ) 0 ≤ j < w i dp(j)= \left\{\begin{aligned} & max(dp(j),dp(j-w_i) + v_i) \ \ \ \ j \geq w_i \\ & dp(j) \ \ \ \ 0 \leq j < w_i \end{aligned} \right. dp(j)={max(dp(j),dp(j−wi)+vi) j≥widp(j) 0≤j<wi
5. 问题拓展
以上问题的约束条件为,
(1) ∑ i = 1 N w i x i ≤ W \begin{aligned} \sum_{i=1}^N w_ix_i \leq W \tag{1} \end{aligned} i=1∑Nwixi≤W(1)
(2) x i ∈ { 0 , 1 } ( 1 ≤ i ≤ N ) \begin{aligned} x_i \in \{0,1\} \ \ \ \ (1 \leq i \leq N) \tag{2} \end{aligned} xi∈{0,1} (1≤i≤N)(2)
-
约束条件(1),要求物品总重量不得超过背包容量,允许未装满。约束条件变为要求总重量恰好等于背包容量,拓展为背包装满问题。
-
约束条件(2),要求每种物品仅有一件。约束条件变为物品件数不限,拓展为第二类问题完全背包问题。
本文详细解析0-1背包问题的数学描述、解题思路、算法优化等内容,并通过实例阐述动态规划解决此类问题的过程。此外,还介绍了该问题的拓展方向及典型例题。
2559

被折叠的 条评论
为什么被折叠?



