演算法中背包問題的實驗報告

『壹』 用動態規演算法求出的0-1背包問題，寫出完整的可以運行的程序，並且給出演算法復雜性的分析與結果，謝謝

1．0-1背包： 每個背包只能使用一次或有限次(可轉化為一次)：
A.求最多可放入的重量。
NOIP2001 裝箱問題
有一個箱子容量為v(正整數，o≤v≤20000)，同時有n個物品(o≤n≤30)，每個物品有一個體積 (正整數)。要求從 n 個物品中，任取若千個裝入箱內，使箱子的剩餘空間為最小。
l 搜索方法
procere search(k,v:integer);
var i,j:integer;
begin
if v<best then best:=v;
if v-(s[n]-s[k-1])>=best then exit;
if k<=n then begin
if v>w[k] then search(k+1,v-w[k]);
search(k+1,v);
end;
end;

l DP
F[I,j]為前i個物品中選擇若干個放入使其體積正好為j的標志，為布爾型。
實現:將最優化問題轉化為判定性問題
f [I, j] = f [ i-1, j-w[i] ] (w[I]<=j<=v) 邊界：f[0,0]:=true.
For I:=1 to n do
For j:=w[I] to v do F[I,j]:=f[I-1,j-w[I]];
優化：當前狀態只與前一階段狀態有關，可降至一維。
F[0]:=true;
For I:=1 to n do begin
F1:=f;
For j:=w[I] to v do
If f[j-w[I]] then f1[j]:=true;
F:=f1;
End;

B.求可以放入的最大價值。
F[I,j] 為容量為I時取前j個背包所能獲得的最大價值。
F [i,j] = max

C.求恰好裝滿的情況數。
DP:
Procere update;
var j,k:integer;
begin
c:=a;
for j:=0 to n do
if a[j]>0 then
if j+now<=n then inc(c[j+now],a[j]);
a:=c;
end;

2．可重復背包
A求最多可放入的重量。
F[I,j]為前i個物品中選擇若干個放入使其體積正好為j的標志，為布爾型。
狀態轉移方程為
f[I,j] = f [ I-1, j – w[I]*k ] (k=1.. j div w[I])

B.求可以放入的最大價值。
USACO 1.2 Score Inflation
進行一次競賽，總時間T固定，有若干種可選擇的題目，每種題目可選入的數量不限，每種題目有一個ti（解答此題所需的時間）和一個si（解答此題所得的分數），現要選擇若干題目，使解這些題的總時間在T以內的前提下，所得的總分最大，求最大的得分。
*易想到：
f[i,j] = max (0<=k<= i div w[j])
其中f[i,j]表示容量為i時取前j種背包所能達到的最大值。
*實現：
Begin
FillChar(f,SizeOf(f),0);
For i:=1 To M Do
For j:=1 To N Do
If i-problem[j].time>=0 Then
Begin
t:=problem[j].point+f[i-problem[j].time];
If t>f[i] Then f[i]:=t;
End;
Writeln(f[M]);
End.

C.求恰好裝滿的情況數。
Ahoi2001 Problem2
求自然數n本質不同的質數和的表達式的數目。
思路一，生成每個質數的系數的排列，在一一測試，這是通法。
procere try(dep:integer);
var i,j:integer;
begin
cal;
if now>n then exit;
if dep=l+1 then begin
cal;
if now=n then inc(tot);
exit;
end;
for i:=0 to n div pr[dep] do begin
xs[dep]:=i;
try(dep+1);
xs[dep]:=0;
end;
end;

思路二，遞歸搜索效率較高
procere try(dep,rest:integer);
var i,j,x:integer;
begin
if (rest<=0) or (dep=l+1) then begin
if rest=0 then inc(tot);
exit;
end;
for i:=0 to rest div pr[dep] do
try(dep+1,rest-pr[dep]*i);
end;

思路三：可使用動態規劃求解
USACO1.2 money system
V個物品，背包容量為n，求放法總數。
轉移方程：

Procere update;
var j,k:integer;
begin
c:=a;
for j:=0 to n do
if a[j]>0 then
for k:=1 to n div now do
if j+now*k<=n then inc(c[j+now*k],a[j]);
a:=c;
end;

begin
read(now);
i:=0;
while i<=n do begin
a[i]:=1; inc(i,now); end;
for i:=2 to v do
begin
read(now);
update;
end;
writeln(a[n]);

『貳』 求背包問題貪心演算法實例結果

找零錢問題：以人民幣1元，2元，5元，10元，20元，50元，100元為例，要求所找的張數最少
背包問題：假設物體重量W1，W2．．．Wn其對應的價值為P1，P2．．．Pn，物體可分割，求裝入重量限制為m的背包中的物體價值最大．可用P/W來解答．
#include<iostream>
#include<algorithm>
using namespace std;
struct good//表示物品的結構體
{
double p;//價值
double w;//重量
double r;//價值與重量的比
}a[2000];
double s,value,m;
int i,n;
bool bigger(good a,good b)
{
return a.r>b.r;
}
int main()
{
scanf("%d",&n);//物品個數
for (i=0;i<n;i++)
{
scanf("%lf%lf",&a[i].w,&a[i].p);
a[i].r=a[i].p/a[i].w;
}
sort(a,a+n,bigger);//調用sort排序函數，你大概不介意吧，按照價值與重量比排序貪心
scanf("%lf",&m);//讀入包的容量m
s=0;//包內現存貨品的重量
value=0;//包內現存貨品總價值
for (i=0;i<n&&s+a[i].w<=m;i++)
{
value+=a[i].p;
s+=a[i].w;
}
printf("The total value in the bag is %.2lf.\n",value);//輸出結果
return 0;
}

『叄』 背包問題的演算法

1)登上演算法
用登山演算法求解背包問題 function []=DengShan(n,G,P,W) %n是背包的個數，G是背包的總容量，P是價值向量，W是物體的重量向量 %n=3;G=20;P=[25,24,15];W2=[18,15,10];%輸入量 W2=W; [Y,I]=sort(-P./W2);W1=[];X=[];X1=[]; for i=1:length(I) W1(i)=W2(I(i)); end W=W1; for i=1:n X(i)=0; RES=G;%背包的剩餘容量 j=1; while W(j)<=RES X(j)=1; RES=RES-W(j); j=j+1; end X(j)=RES/W(j); end for i=1:length(I) X1(I(i))=X(i); end X=X1; disp('裝包的方法是');disp(X);disp(X.*W2);disp('總的價值是：');disp(P*X');

時間復雜度是非指數的

2)遞歸法
先看完全背包問題
一個旅行者有一個最多能用m公斤的背包，現在有n種物品，每件的重量分別是W1，W2，...,Wn,
每件的價值分別為C1,C2,...,Cn.若的每種物品的件數足夠多.
求旅行者能獲得的最大總價值。
本問題的數學模型如下：
設 f(x)表示重量不超過x公斤的最大價值，
則 f(x）=max{f(x-i)+c[i]} 當x>=w[i] 1<=i<=n
可使用遞歸法解決問題程序如下:
program knapsack04;
const maxm=200;maxn=30;
type ar=array[0..maxn] of integer;
var m,n,j,i,t:integer;
c,w:ar;
function f(x:integer):integer;
var i,t,m:integer;
begin
if x=0 then f:=0 else
begin
t:=-1;
for i:=1 to n do
begin
if x>=w[i] then m:=f(x-i)+c[i];
if m>t then t:=m;
end;
f:=t;
end;
end;
begin
readln(m,n);
for i:= 1 to n do
readln(w[i],c[i]);
writeln(f(m));
end.
說明:當m不大時,編程很簡單,但當m較大時,容易超時.
4.2 改進的遞歸法
改進的的遞歸法的思想還是以空間換時間,這只要將遞歸函數計算過程中的各個子函數的值保存起來,開辟一個
一維數組即可
程序如下:
program knapsack04;
const maxm=2000;maxn=30;
type ar=array[0..maxn] of integer;
var m,n,j,i,t:integer;
c,w:ar;
p:array[0..maxm] of integer;
function f(x:integer):integer;
var i,t,m:integer;
begin
if p[x]<>-1 then f:=p[x]
else
begin
if x=0 then p[x]:=0 else
begin
t:=-1;
for i:=1 to n do
begin
if x>=w[i] then m:=f(i-w[i])+c[i];
if m>t then t:=m;
end;
p[x]:=t;
end;
f:=p[x];
end;
end;
begin
readln(m,n);
for i:= 1 to n do
readln(w[i],c[i]);
fillchar(p,sizeof(p),-1);
writeln(f(m));
end.
3)貪婪演算法
改進的背包問題：給定一個超遞增序列和一個背包的容量，然後在超遞增序列中選（只能選一次）或不選每一個數值，使得選中的數值的和正好等於背包的容量。

代碼思路：從最大的元素開始遍歷超遞增序列中的每個元素，若背包還有大於或等於當前元素值的空間，則放入，然後繼續判斷下一個元素；若背包剩餘空間小於當前元素值，則判斷下一個元素
簡單模擬如下：

#define K 10
#define N 10

＃i nclude <stdlib.h>
＃i nclude <conio.h>

void create(long array[],int n,int k)
{/*產生超遞增序列*/
int i,j;
array[0]=1;
for(i=1;i<n;i++)
{
long t=0;
for(j=0;j<i;j++)
t=t+array[j];
array[i]=t+random(k)+1;
}
}
void output(long array[],int n)
{/*輸出當前的超遞增序列*/
int i;
for(i=0;i<n;i++)
{
if(i%5==0)
printf("\n");
printf("%14ld",array[i]);
}
}

void beibao(long array[],int cankao[],long value,int count)
{/*背包問題求解*/
int i;
long r=value;
for(i=count-1;i>=0;i--)/*遍歷超遞增序列中的每個元素*/
{
if(r>=array[i])/*如果當前元素還可以放入背包，即背包剩餘空間還大於當前元素*/
{
r=r-array[i];
cankao[i]=1;
}
else/*背包剩餘空間小於當前元素值*/
cankao[i]=0;
}
}

void main()
{
long array[N];
int cankao[N]={0};
int i;
long value,value1=0;
clrscr();
create(array,N,K);
output(array,N);
printf("\nInput the value of beibao:\n");
scanf("%ld",&value);
beibao(array,cankao,value,N);
for(i=0;i<N;i++)/*所有已經選中的元素之和*/
if(cankao[i]==1)
value1+=array[i];
if(value==value1)
{
printf("\nWe have got a solution,that is:\n");
for(i=0;i<N;i++)
if(cankao[i]==1)
{
if(i%5==0)
printf("\n");
printf("%13ld",array[i]);
}
}
else
printf("\nSorry.We have not got a solution.\n");
}
貪婪演算法的另一種寫法，beibao函數是以前的代碼，用來比較兩種演算法：

#define K 10
#define N 10

＃i nclude <stdlib.h>
＃i nclude <conio.h>

void create(long array[],int n,int k)
{
int i,j;
array[0]=1;
for(i=1;i<n;i++)
{
long t=0;
for(j=0;j<i;j++)
t=t+array[j];
array[i]=t+random(k)+1;
}
}
void output(long array[],int n)
{
int i;
for(i=0;i<n;i++)
{
if(i%5==0)
printf("\n");
printf("%14ld",array[i]);
}
}

void beibao(long array[],int cankao[],long value,int count)
{
int i;
long r=value;
for(i=count-1;i>=0;i--)
{
if(r>=array[i])
{
r=r-array[i];
cankao[i]=1;
}
else
cankao[i]=0;
}
}

int beibao1(long array[],int cankao[],long value,int n)
{/*貪婪演算法*/
int i;
long value1=0;
for(i=n-1;i>=0;i--)/*先放大的物體，再考慮小的物體*/
if((value1+array[i])<=value)/*如果當前物體可以放入*/
{
cankao[i]=1;/*1表示放入*/
value1+=array[i];/*背包剩餘容量減少*/
}
else
cankao[i]=0;
if(value1==value)
return 1;
return 0;
}

void main()
{
long array[N];
int cankao[N]={0};
int cankao1[N]={0};
int i;
long value,value1=0;
clrscr();
create(array,N,K);
output(array,N);
printf("\nInput the value of beibao:\n");
scanf("%ld",&value);
beibao(array,cankao,value,N);
for(i=0;i<N;i++)
if(cankao[i]==1)
value1+=array[i];
if(value==value1)
{
printf("\nWe have got a solution,that is:\n");
for(i=0;i<N;i++)
if(cankao[i]==1)
{
if(i%5==0)
printf("\n");
printf("%13ld",array[i]);
}
}
else
printf("\nSorry.We have not got a solution.\n");
printf("\nSecond method:\n");
if(beibao1(array,cankao1,value,N)==1)
{
for(i=0;i<N;i++)
if(cankao1[i]==1)
{
if(i%5==0)
printf("\n");
printf("%13ld",array[i]);
}
}
else
printf("\nSorry.We have not got a solution.\n");
}

4)動態規劃演算法

解決0/1背包問題的方法有多種，最常用的有貪婪法和動態規劃法。其中貪婪法無法得到問題的最優解，而動態規劃法都可以得到最優解，下面是用動態規劃法來解決0/1背包問題。

動態規劃演算法與分治法類似，其基本思想是將待求解問題分解成若干個子問題，然後從這些子問題的解得到原問題的解。與分治法不同的是，適合於用動態規劃法求解的問題，經分解得到的子問題往往不是互相獨立的，若用分治法解這類問題，則分解得到的子問題數目太多，以至於最後解決原問題需要耗費過多的時間。動態規劃法又和貪婪演算法有些一樣，在動態規劃中，可將一個問題的解決方案視為一系列決策的結果。不同的是，在貪婪演算法中，每採用一次貪婪准則便做出一個不可撤回的決策，而在動態規劃中，還要考察每個最優決策序列中是否包含一個最優子序列。

0/1背包問題

在0 / 1背包問題中，需對容量為c 的背包進行裝載。從n 個物品中選取裝入背包的物品，每件物品i 的重量為wi ，價值為pi 。對於可行的背包裝載，背包中物品的總重量不能超過背包的容量，最佳裝載是指所裝入的物品價值最高，即p1*x1+p2*x1+...+pi*xi(其1<=i<=n，x取0或1，取1表示選取物品i) 取得最大值。
在該問題中需要決定x1 .. xn的值。假設按i = 1，2，...，n 的次序來確定xi 的值。如果置x1 = 0，則問題轉變為相對於其餘物品(即物品2，3，.，n)，背包容量仍為c 的背包問題。若置x1 = 1，問題就變為關於最大背包容量為c-w1 的問題。現設r?{c，c-w1 } 為剩餘的背包容量。
在第一次決策之後，剩下的問題便是考慮背包容量為r 時的決策。不管x1 是0或是1，[x2 ，.，xn ] 必須是第一次決策之後的一個最優方案，如果不是，則會有一個更好的方案[y2，.，yn ]，因而[x1，y2，.，yn ]是一個更好的方案。
假設n=3, w=[100,14,10], p=[20,18,15], c= 116。若設x1 = 1，則在本次決策之後，可用的背包容量為r= 116-100=16 。[x2，x3 ]=[0,1] 符合容量限制的條件，所得值為1 5，但因為[x2，x3 ]= [1，0] 同樣符合容量條件且所得值為1 8，因此[x2，x3 ] = [ 0，1] 並非最優策略。即x= [ 1，0，1] 可改進為x= [ 1，1，0 ]。若設x1 = 0，則對於剩下的兩種物品而言，容量限制條件為116。總之，如果子問題的結果[x2，x3 ]不是剩餘情況下的一個最優解，則[x1，x2，x3 ]也不會是總體的最優解。在此問題中，最優決策序列由最優決策子序列組成。假設f (i,y) 表示剩餘容量為y，剩餘物品為i，i + 1，...，n 時的最優解的值，即：利用最優序列由最優子序列構成的結論，可得到f 的遞歸式為：
當j>=wi時： f(i,j)=max{f(i+1,j),f(i+1,j-wi)+vi} ①式
當0<=j<wi時：f(i,j)=f(i+1,j) ②式
fn( 1 ,c) 是初始時背包問題的最優解。
以本題為例：若0≤y＜1 0，則f ( 3 ,y) = 0；若y≥1 0，f ( 3 ,y) = 1 5。利用②式，可得f (2, y) = 0 ( 0≤y＜10 )；f(2，y)= 1 5(1 0≤y＜1 4)；f(2，y)= 1 8(1 4≤y＜2 4)和f(2，y)= 3 3(y≥2 4)。因此最優解f ( 1 , 11 6 ) = m a x {f(2，11 6)，f(2，11 6 - w1)+ p1} = m a x {f(2，11 6)，f(2，1 6)+ 2 0 } = m a x { 3 3，3 8 } = 3 8。
現在計算xi 值，步驟如下：若f ( 1 ,c) =f ( 2 ,c)，則x1 = 0，否則x1 = 1。接下來需從剩餘容量c-w1中尋求最優解，用f (2, c-w1) 表示最優解。依此類推，可得到所有的xi (i= 1.n) 值。
在該例中，可得出f ( 2 , 116 ) = 3 3≠f ( 1 , 11 6 )，所以x1 = 1。接著利用返回值3 8 -p1=18 計算x2 及x3，此時r = 11 6 -w1 = 1 6，又由f ( 2 , 1 6 ) = 1 8，得f ( 3 , 1 6 ) = 1 4≠f ( 2 , 1 6 )，因此x2 = 1，此時r= 1 6 -w2 = 2，所以f (3,2) =0，即得x3 = 0。

『肆』 用動態規劃演算法和貪婪演算法求解01背包問題的區別

首先這兩個演算法是用來分別解決不同類型的背包問題的，不存在哪個更優的問題。 當一件背包物品可以分割的時候，使用貪心演算法，按物品的單位體積的價值排序，從大到小取即可。 當一件背包物品不可分割的時候，（因為不可分割，所以就算按物品的單位體積的價值大的先取也不一定是最優解）此時使用貪心是不對的，應使用動態規劃。

『伍』 計算機演算法分析考試：動態規劃0-1背包問題，怎麼算

問題描述：
給定n種物品和一背包，物品i的重量是wi，其價值為vi，背包的容量為C。問應如何選擇裝入背包的物品（物品不能分割），使得裝入背包中物品的總價值最大?

抽象描述如下：
x[n]:表示物品的選擇，x[i]=1表示選擇放進物品i到背包中。

『陸』 考慮下述背包問題的實例。有5件物品，背包容量為100。

貪心演算法,在對問題求解時總是做出在當前看來是最好的選擇(但結果未必是最好)
典型的演算法:Prim演算法和Kruskal演算法

分治演算法的基本思想是將一個規模為N的問題分解為K個規模較小的子問題,
這些子問題相互獨立且與原問題性質相同.求出子問題的解,就可得到原問題的解.
典型的演算法:漢諾塔,二分搜索

動態規劃,通過把原問題分解為相對簡單的子問題的方式求解復雜問題的方法
典型的演算法:背包問題

回溯演算法也叫試探法,它是一種系統地搜索問題的解的方法
典型演算法:八皇後問題

按單位重量價值最大優先策略入包,就是當前看來最好(結果不一定最好)
這里採用的是貪心演算法,
考慮0/1背包問題,入包的是1,2,3最大價值是430(50+200+180)
考慮部分入包的話,入包的是1,2,3,4(4入包40)最大價值是630(50+200+180+225/45*40)

2,3,4最大價值的確是605,但那不是用貪心演算法計算來的
所以答案是C

『柒』 貪心演算法 部分背包問題

這道題是dp的思想啦，動態規劃

(1)背包問題最優值的結構

動態規劃的逆向思維法的第一步是刻畫一個最優值的結構，如果我們能分析出一個問題的最優值包含其子問題的最優值，問題的這種性質稱為最優子結構。一個問題的最優子結構性質是該問題可以使用動態規劃的顯著特徵。

對一個負重能力為m的背包，如果我們選擇裝入一個第 i 種物品，那麼原背包問題就轉化為負重能力為 m-w[i] 的子背包問題。原背包問題的最優值包含這個子背包問題的最優值。若我們用背包的負重能力來劃分狀態，令狀態變數s[k]表示負重能力為k的背包，那麼s[m]的值只取決於s[k](k≤m)的值。因此背包問題具有最優子結構。

(2)遞歸地定義最優值

動態規劃的逆向思維法的第二步是根據各個子問題的最優值來遞歸地定義原問題的最優值。對背包問題而言，有狀態轉移方程：

／max{s[k-w[i]]+v[i]}(其中1≤i≤n，且k-w[i]≥0)

s[k]= 若k>0且存在1≤i≤n使k-w[i]≥0，

＼ 0 否則。

有了計算各個子問題的最優值的遞歸式，我們就可以直接編寫對應的程序。下述的函數knapsack是輸入背包的負重能力k，返回對應的子背包問題的最優值s[k]：