第6章动态规划法.ppt.ppt

6.3.1 0/1背包问题 在0/1背包问题中，物品i或者被装入背包，或者不被装入背包，设xi表示物品i装入背包的情况，则当xi=0时，表示物品i没有被装入背包，xi=1时，表示物品i被装入背包。根据问题的要求，有如下约束条件和目标函数： （式6.9） （式6.10） 于是，问题归结为寻找一个满足约束条件式6.9，并使目标函数式6.10达到最大的解向量X=(x1, x2, …, xn)。 证明0/1背包问题满足最优性原理。 设(x1, x2, …, xn)是所给0/1背包问题的一个最优解，则( x2, …, xn)是下面一个子问题的最优解： 如若不然，设(y2, …, yn)是上述子问题的一个最优解，则 因此， 这说明(x1, y2, …, yn)是所给0/1背包问题比(x1, x2, …, xn)更优的解，从而导致矛盾。 0/1背包问题可以看作是决策一个序列(x1, x2, …, xn)，对任一变量xi的决策是决定xi=1还是xi=0。在对xi-1决策后，已确定了(x1, …, xi-1)，在决策xi时，问题处于下列两种状态之一： （1）背包容量不足以装入物品i，则xi=0，背包不增加价值； （2）背包容量可以装入物品i，则xi=1，背包的价值增加了vi。 这两种情况下背包价值的最大者应该是对xi决策后的背包价值。令V(i, j)表示在前i(1≤i≤n)个物品中能够装入容量为j（1≤j≤C）的背包中的物品的最大值，则可以得到如下动态规划函数： V(i, 0)= V(0, j)=0 （式6.11） （式6.12） 式6.11表明：把前面i个物品装入容量为0的背包和把0个物品装入容量为j的背包，得到的价值均为0。式6.12的第一个式子表明：如果第i个物品的重量大于背包的容量，则装入前i个物品得到的最大价值和装入前i-1个物品得到的最大价值是相同的，即物品i不能装入背包；第二个式子表明：如果第i个物品的重量小于背包的容量，则会有以下两种情况：（1）如果把第i个物品装入背包，则背包中物品的价值等于把前i-1个物品装入容量为j-wi的背包中的价值加上第i个物品的价值vi；（2）如果第i个物品没有装入背包，则背包中物品的价值就等于把前i-1个物品装入容量为j的背包中所取得的价值。显然，取二者中价值较大者作为把前i个物品装入容量为j的背包中的最优解。 根据动态规划函数，用一个(n+1)×(C+1)的二维表V，V[i][j]表示把前i个物品装入容量为j的背包中获得的最大价值。 0 例如，有5个物品，其重量分别是{2, 2, 6, 5, 4}，价值分别为{6, 3, 5, 4, 6}，背包的容量为10。 x5=1 x4=0 x3=0 x2=1 x1=1 ? ? 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ? 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 w1=2 v1=6 1 0 0 6 6 6 6 6 6 6 6 6 w2=2 v2=3 2 0 0 6 6 9 9 9 9 9 9 9 w3=6 v3=5 3 0 0 6 6 9 9 9 9 11 11 14 w4=5 v4=4 4 0 0 6 6 9 9 9 10 11 13 14 w5=5 v5=6 5 0 0 6 6 9 9 12 12 15 15 15 0 按下述方法来划分阶段：第一阶段，只装入前1个物品，确定在各种情况下的背包能够得到的最大价值；第二阶段，只装入前2个物品，确定在各种情况下的背包能够得到的最大价值；依此类推，直到第n个阶段。最后，V(n,C)便是在容量为C的背包中装入n个物品时取得的最大价值。为了确定装入背包的具体物品，从V(n,C)的值向前推，如果V(n,C)V(n-1,C)，表明第n个物品被装入背包，前n-1个物品被装入容量为C-wn的背包中；否则，第n个物品没有被装入背包，前n-1个物品被装入容量为C的背包中。依此类推，直到确定第1个物品是否被装入背包中为止。由此，得到如下函数： （式6.13） 设n个物品的重量存储在数组w[n]中，价值存储在数组v[n]中，背包容量为C，数组V[n+1][C+1]存放迭代结果，其中V[i][j]表示前i个物品装入容量为j的背包中获得的最大价值，数组x[n]存储装