背包问题(Knapsack problem):给定一组物品,每种物品都有自己的重量和价格,在限定的总重量内,我们如何选择,才能使得物品的总价格最高。即在总重量不超过W的前提下,总价值是否能达到V?

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,“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]。

递归式:

0-1背包问题(DP)_DP

动态规划算法实现:

public class Knapsack
{
   public static void knapsack(int[] v, int[] w, int c, int[][] m)
    {
        /** v[] w[] c 分别是价值、重量、和背包容量数组
        m[i][j]表示有i~n个物品,背包容量为j的最大价值。*/

        int n = v.length-1;  //n是下标,从0开始
        int jMax = Math.min(w[n]-1, c);
        for(int j = 0; j <= jMax; j++)  
            m[n][j] = 0;        //当w[n]>j 有 m[n][j]=0

        //m[n][j] 表示只有n物品,背包的容量为j时的最大价值
        for (int l = w[n]; l <= c; l++)
            m[n][l] = v[n];  //当w[n]<=j 有m[n][j]=v[n]

        //递归调用求出m[][]其它值,直到求出m[0][c]
        for(int i = n-1; i >=1; i--)
        {
            jMax = Math.min(w[i]-1,c);            
            for(int k = 0; k <=jMax; k++)
                m[i][k] = m[i+1][k];
                      
            for(int h = w[i]; h <= c; h++)
                m[i][h] = Math.max(m[i+1][h],m[i+1][h-w[i]]+v[i]);
        }
        m[0][c] = m[1][c];
        if(c >= w[0])
            m[0][c] = Math.max(m[0][c],m[1][c-w[0]]+v[0]);

        System.out.println("bestw ="+m[0][c]);
    }
         
    public static void traceback(int[][] m, int[] w, int c, int[] x)
    {// 根据最优值求出最优解(存在则为1,不存在则为0)
     //当x1=0时,由m[2][c]继续构造最优解;若x1=1,则由m[2][c-w1]继续构造最优解,依次类推,可构造出相应的最优解
        int n = w.length-1;
        for(int i = 0; i<n;i++)
            if(m[i][c] == m[i+1][c])
                x[i] = 0; //如果m[1][c]=m[2][c],则x1=0,否则x1=1
            else{
                x[i] = 1;
                c -= w[i];
            }
        x[n] = (m[n][c]>0)?1:0;
    }
    public static void main(String[] args){
    	//测试
        int[] ww = {2,2,6,5,4};
        int[] vv = {6,3,5,4,6};
        int[][] mm = new int[11][11];
        knapsack(vv,ww,10,mm);

        int[] xx =new int[ww.length];
        traceback(mm,ww,10,xx);
        System.out.print("0-1背包最优解的序列为:");
        for(int i = 0;i<xx.length;i++)        	
            System.out.print(xx[i]+" ");
    }
}

测试结果:0-1背包问题(DP)_DP_02


一个问题可以用动态规划法求解的先决条件:

    1、最优子结构性质:当问题的最优解包含了其子问题的最优解时,称该问题具有最有子结构性质。

    2、重叠子问题:每次产生的子问题并不总是新问题,有些子问题被反复计算多次。

满足了以上两个条件的问题可以考虑用动态规划法(将子问题的解记忆化存储)求解,他是一种自底向上的递归算法。


0-1背包问题(DP)_DP_03