算法:浅谈多重背包

文章介绍了如何解决多重背包问题,通过暴力拆分和二进制拆分将问题转化为01背包问题。暴力拆分方法时间复杂度较高,而二进制拆分在某些情况下更有效,特别适合处理物品数量较大的情况。对于满足特定条件的物品,可以视为完全背包处理。

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给定nnn种物品,每种物品都有重量wiw_iwi和价值viv_ivi,第iii种物品有cic_ici个。背包容积为WWW。求解在不超过背包容量的情况下如何放置物品,可以使背包中物品的价值之和最大。我们可以将多重背包问题通过暴力拆分ororor二进制拆分转化为01背包问题,也可以通过数组优化对物品数量进行限制。

拆分

1.暴力拆分

暴力拆分就是将第i种物品分成cic_ici种独立的物品,每种物品只有一个,这样就转化成01背包。

第i种物品

wiviw_iv_iwiviwiviw_iv_iwiviwiviw_iv_iwivi

cic_ici

for(int i=1;i<=n;i++){
	for(int j=w;j>=0;j--){
		for(int k=1;k<=c[i];k++){
			if(j>=c[i]*k){
				f[j]=max(f[j],f[j-c[i]*k]+v[i]*k);
			}
		}
	}
}

时间复杂度:包含3层forforfor循环,时间复杂度为O(W∑ci)O(W\sum c_i)O(Wci)

空间复杂度:O(W)O(W)O(W)

2.二进制拆分

当一个物品满足以下不等式:

ci×wi≥Wc_i \times w_i \geq Wci×wiW

可以认为它是有无限个的(仔细品味以下)⇒\Rightarrow 完全背包

否则 ⇒\Rightarrow 二进制拆分

一定存在一个最大的整数ppp使得20+21+...+2p≤ci2^0+2^1+...+2^p \leq c_i20+21+...+2pci,将ci−20+21+...+2pc_i - 2^0+2^1+...+2^pci20+21+...+2pRiR_iRi表示,可以将cic_ici拆分为p+2p+2p+2个数:
(20,21,...,2p,Ri)(2^0,2^1,...,2^p,R_i)(20,21,...,2p,Ri)

即:

20wi,20vi2^0w_i,2^0v_i20wi,20vi21wi,20vi2^1w_i,2^0v_i21wi,20vi2pwi,2pvi2^pw_i,2^pv_i2pwi,2pviRiwi,RiviR_iw_i,R_iv_iRiwi,Rivi

进行二进制拆分后,cic_ici个物品被拆分成p+2p+2p+2种新物品,每种新物品只有一个,转化为01背包

for(int i=1;i<=n;i++){
		if(m[i]*w[i]>=v){
			//完全背包
			for(int j=w[i];j<=v;j++){
				f[j]=max(f[j],f[j-w[i]]+s[i]);
			} 
		}else{
			//二进制拆分
			for(int k=1;m[i]>0;k<<=1){
				int temp=min(k,m[i]);
				for(int j=v;j>=w[i]*temp;j--){
					f[j]=max(f[j],f[j-w[i]*temp]+s[i]*temp);
				}
				m[i]-=temp;
			} 
		}
	}

注:m[i]是数量,w[i]是重量,s[i]是价值

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