（转）完全背包
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前面回顾了01背包，在此基础上本节回顾完全背包的几种实现形式，主要有以下几方面内容：
==完全背包问题定义 & 基本实现
==完全背包二进制拆分思想
==完全背包使用滚动数组（略）
==完全背包中的逆向思维
==完全背包使用一维数组
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完全背包问题定义 & 基本实现
问题：有个容量为V大小的背包，有很多不同重量weight[i](i=1..n)不同价值value[i](i=1..n)的货物，每种物品有无限件可用，想计算一下最多能放多少价值的货物。
与01背包不同的是，完全背包每件物体可以放入无限件（只要能放的下），故对于每件物品i，相当于拆分成了v/c[i]件相同的物品，拆分之后物品i就不是放入或不放入的两种情况了，而是放入0件、放入1件、放入2件…等情况了，对于该件物品i，最大价值取放入k件的最大值，故状态转移方程为：
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f(i,v) = max{ f(i-1,v-k*c[i]) + k*w[i] | 0<=k<=v/c[i] } |
各状态的意义不再赘述，上代码，关于复杂度以及每种物品的状态数见代码注释：
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#include <iostream>using namespace std;/* 完全背包 版本1 * Time Complexity 大于O(N*V) * Space Complexity O(N*V) * 设 V <= 200 N <= 10 * 状态转移方程：f(i,v) = max{ f(i-1,v-k*c[i]) + k*w[i] | 0<=k<=v/c[i] } * 每件物品有v/c[i]种状态 */int maxV[11][201]; /* 记录子问题最优解，物品可重复 */int weight[11];int value[11];int V, N;void main(){ int i, j, k; scanf("%d %d",&V, &N); for(i = 0; i < N; ++i) { scanf("%d %d",&weight[i],&value[i]); } for(i = 0; i < N; ++i) { for(j = 0; j <= V; ++j) { if(i > 0) { maxV[i][j] = maxV[i-1][j]; if(j/weight[i] >= 1) { int max_tmp = 0; for(k = 1; k <= j/weight[i]; ++k) { if(maxV[i-1][j-k*weight[i]] + k*value[i] > max_tmp) { max_tmp = maxV[i-1][j-k*weight[i]] + k*value[i]; } } maxV[i][j] = maxV[i][j] > max_tmp ? maxV[i][j] : max_tmp; } }else { if(j/weight[0] >= 1) { maxV[0][j] = j/weight[0] * value[0]; } } } } printf("%d",maxV[N-1][V]);} |
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完全背包二进制拆分思想
这种实现方式是对完全背包的基本实现做了一个优化，叫“二进制拆分”。所谓“拆分物体”就是将一种无限件物品拆分成有效的几件物品，拆分物体的目的是通过减少物品个数来降低复杂度。
在完全背包中，每种物品i对于容量v来讲实际上相当于有v/c[i]件，故在上述的基本实现中，k就要循环测试v/c[i]次。
这里的拆分是利用了一种二进制思想：即任何数字都可以表示成若干个2^k数字的和，例如7可以用1+2+2^2表示；这很好理解，因为任何正数都可以转成二进制，二进制就是若干个“1”（2的幂数）之和。
所以不管最优策略选择几件物品i，我们都可以将物品i拆成费用为c[i]*2^k，价值为w[i]*2^k的若干件物品。这样物品的状态数就降为了log(v/c[i])，是很大的改进。
在代码实现上，与基本实现的差别很小，区别如下
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/* 完全背包 版本2 * Time Complexity 大于O(N*V) * Space Complexity O(N*V) * 设 V <= 200 N <= 10 * 状态转移方程：f(i,v) = max{ f(i-1,v-2^k*c[i]) + 2^k*w[i] | 0<=k<=log v/c[i] } * 每件物品降低为 log(v/c[i]) 种状态 */for(k = 1; k <= j/weight[i]; k <<= 1){ if(maxV[i-1][j-k*weight[i]] + k*value[i] > max_tmp) { max_tmp = maxV[i-1][j-k*weight[i]] + k*value[i]; }} |
对于使用滚动数组的实现，这里就不写了，跟01背包是一样的。
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完全背包中的逆向思维
我们知道，在01背包和完全背包的实现中，都是针对每种物品进行讨论，即外循环都是for i=0…n，然后每种物品对于容量v的变化而求得最大价值；
在完全背包中，由于物品的件数无限，所以我们可以倒过来想，我们针对每个容量讨论，外循环为容量，对于每个容量j，我们求j对于所有物品能装载的最大价值，这样一来我们就能将时间复杂度降为O(N*V)了。代码如下：
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#include <iostream>using namespace std;/* 完全背包 版本3 * Time Complexity O(N*V) * Space Complexity O(N*V) * 设 V <= 200 N <= 10 */int maxValue[201][11]; /* 记录子问题的各状态 */int weight[11];int value[11];int maxV[201]; /* 记录子问题的最优解 */int V, N;void main(){ int i, j; scanf("%d %d",&V, &N); for(i = 0; i < N; ++i) { scanf("%d %d",&weight[i],&value[i]); } for(i = 1; i <= V; ++i) { int i_maxV = 0; /* 记录子问题i的最优解 */ /* 每个容量求面对所有物体能装载的最大价值 */ for(j = 0; j < N; ++j) { if(i >= weight[j]) { int tmp = maxV[i-weight[j]] + value[j]; maxValue[i][j] = maxV[i-1] > tmp ? maxV[i-1] : tmp; }else { maxValue[i][j] = maxV[i-1]; } if(maxValue[i][j] > i_maxV) { i_maxV = maxValue[i][j]; } } maxV[i] = i_maxV; } printf("%d",maxV[V]); /* 重定向输出结果到文件 */ freopen("C:\\dp.txt","w",stdout); for(i = 0; i <= V; ++i) { for(j = 0; j < N; ++j) { printf("%d ",maxValue[i][j]); } printf(" %d\n",maxV[i]); }} |
同样，可以将状态转移矩阵重定向输出到文件进行对比，一看就明白了，这里就不贴图片了。
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完全背包使用一维数组
对于01背包和完全背包，无论是空间复杂度还是时间复杂度，最优的方法还是使用一维数组进行实现。
基于01背包的分析，由于不必考虑物品的重复放入，故v的循环采用顺序即可。代码如下：
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#include <iostream>using namespace std;/* 完全背包 版本4 * Time Complexity O(N*V) * Space Complexity O(V) * 设 V <= 200 N <= 10 * 状态转移方程：v =0...V; f(v) = max{ f(v), f(v-c[i])+w[i] } */int maxV[201]; /* 记录前i个物品中容量v时的最大价值, 物品可重复 */int weight[11];int value[11];int V, N;void main(){ int i, j; scanf("%d %d",&V, &N); for(i = 0; i < N; ++i) { scanf("%d %d",&weight[i],&value[i]); } for(i = 0; i < N; ++i) { for(j = weight[i]; j <= V; ++j) /* j<weight[i]的对前面的状态不会有影响 */ { int tmp = maxV[j-weight[i]]+value[i]; maxV[j] = (maxV[j] > tmp) ? maxV[j] : tmp; } } printf("%d",maxV[V]);} |
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PS：值得一提的是，在01背包和完全背包中，我们用到了两种思想，个人认为还是很有用的，其他地方也会用到很多，我们有必要在此留心：
- 滚动数组压缩空间的思想
- 二进制拆分的思想
记得有一回看到的面试题就用到了二进制拆分的思想，具体是啥忘了，以后碰到再说吧，就这样。
本文相关代码可以到这里下载。
（全文完）
参考资料：背包问题九讲 http://love-oriented.com/pack/
posted on 2015-04-06 21:03 zhouzhou0615 阅读(119) 评论(0) 编辑 收藏 举报
