本文主要是介绍动态规划-01背包问题新解(c),希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!
动态规划-01背包问题新解
- 概述
- 动态规划
- 01背包问题
- 传统思路算法
- 官方递推关系算法
- 2种算法比较
概述
本文将从一个新的角度来描述和实现01背包问题,以协助对01背包问题以及教材上的算法的彻底理解。
新的角度为:传统思路算法,“新”是新在与绝大部分官方算法思路的区别,但是该算法的思路是传统的,传统是指动态规划领域的传统。
本文的主体结构:
- 动态规划:简介动态规划问题,因为01背包问题是动态规划中的经典示例之一
- 01背包问题:01背包问题简介
- 传统思路算法:区别于“官方”的算法实现,使用传统的动态规划思想来实现01背包问题,以帮助理解01背包问题的基本实现思想
- 官方递推关系算法:在传统思路算法的基础上,再来理解“官方”算法。
- 2种算法比较:最后总结01背包问题,比较2种算法
动态规划
动态规划(dynamic programming)是一种算法设计方法。基本思想是在对一个问题的多阶段决策中,按照某一顺序,根据每一步所选决策的不同,会引起状态的转移,最后会在变化的状态中获取到一个决策序列。
上面这段话是比较官方的术语描述,还可以这样从编程层面理解:动态规划一般用于求解具有重叠子问题和最优子结构特性的问题。它通过将大问题分解为小问题,并存储小问题的解(通常在一个表格中),避免了重复计算,从而提高了效率。动态规划可以应用于许多类型的问题,包括但不限于最优化问题、计数问题和决策问题。
01背包问题
01背包问题(0-1 Knapsack Problem):已知n种物品和一个可容纳c重量的背包,物品i的重量为wi,产生的效益为pi。在装包时物品i可以装入,也可不装入,但不可拆开装。如何装包,所装物品效益最大。
如何理解01背包问题中的01呢?0表示物品不放入背包,1表示物品放入背包。是每个物品放入/不放入背包的状态。
传统思路算法
传统的算法思路:记录每个物品放入和不放入背包的多种排列组合的效益值,取其中最大的效益值。
例如:假设有3个物品,背包最大承重为10,物品的重量分别为(3, 5, 4),效益分别为(4, 2, 5)。那么就有23=8种放入背包的情况:
序号 | 组合情况 | 说明 | 最大效益 |
---|---|---|---|
1 | 0, 0, 0 | 3个物品都不放入背包 | 0 |
2 | 0, 0, 1 | 只放入第3个物品 | 5 |
3 | 0, 1, 0 | 只放入第2个物品 | 2 |
4 | 0, 1, 1 | 只放入第2、3个物品 | 7 |
5 | 1, 1, 1 | 3个物品都放入背包 | 11,但超过背包容量 |
6 | 1, 1, 0 | 放入第1和2个物品 | 6 |
7 | 1, 0, 1 | 放入第1和3个物品 | 9,最大的效益 |
8 | 1, 0, 0 | 放入第1个物品 | 4 |
从上表可以看出,最终的最大效益为9,放入1和3个物品,此时放入的重量为7。
上述表格构建的过程,就是传统的(典型的)动态规划思路:记录每个过程(每个小问题)的结果,避免重复计算。
这算法思路是最简单,也是最容易理解的。现在用代码来实现这个算法:
- 构建多维数组,数组每个维度的大小为2。每个维度的索引只有0和1,每个维度的索引对应一个物品,索引为0表示不放入该物品,为1表示放入该物品。例如,上面这个示例中,会构建一个3维数组array,那么array[0][0][1]记录的是只放入第3个物品时的效益。
- 遍历多维数组,计算每个物品组合的最大效益。注意还要考虑物品重量和不能超过背包容量。
- 遍历过程中记录最大的效益值和对应的索引,遍历结束后就可以得到最终的解(包括最大效益是多少,物品如何放入背包,放入背包的物品重量和,背包剩余容量)
这个算法的思路很简单,要说有难点的话,可能在多维数组的实现,但是多维数组的实现可以很简单,直接粘贴代码:
多维数组(multidimensional_array.h)
#ifndef __MULTIDIMENSIONAL_ARRAY_H__
#define __MULTIDIMENSIONAL_ARRAY_H__/*** 多维数组的C实现*/typedef unsigned long long u64;
typedef long long s64;
typedef unsigned int u32;typedef struct _MultiDimArray {int *data;int dimensions;int *sizes;int total_size;
} multi_dim_array;// 创建多维数组
multi_dim_array *create_multi_dim_array(int dim, int *sizes);// 释放多维数组
void free_multi_dim_array(multi_dim_array *array);// 多维索引转一维索引
int indices_to_index(multi_dim_array *array, int *indices);// 一维索引转多维索引: 记得用完释放内存
int *index_to_indices(multi_dim_array *array, int index);// 设置多维数组的值
void set_value_at(multi_dim_array *array, int *indices, int value);typedef u64 (*md_arr_item_proc_fn)(multi_dim_array *array, int *indices, int index, int val, void *context);
// 遍历多维数组
void traverse_multi_dim_array(multi_dim_array *array, md_arr_item_proc_fn proc, void *context);#endif // __MULTIDIMENSIONAL_ARRAY_H__
多维数组(multidimensional_array.c)
#include "multidimensional_array.h"#include <stdlib.h>
#include <string.h>multi_dim_array *create_multi_dim_array(int dim, int *sizes) {multi_dim_array *array = (multi_dim_array *)malloc(sizeof(multi_dim_array));array->dimensions = dim;array->sizes = (int *)malloc(dim * sizeof(int));int totalSize = 1;for (int i = 0; i < dim; i++) {array->sizes[i] = sizes[i];if (sizes[i] <= 0) {return NULL;}totalSize *= sizes[i];}array->total_size = totalSize;array->data = (int *)malloc(sizeof(int) * totalSize);memset(array->data, 0x0, sizeof(int) * totalSize);return array;
}void free_multi_dim_array(multi_dim_array *array) {free(array->sizes);array->sizes = NULL;free(array->data);array->data = NULL;array->dimensions = 0;array->total_size = 0;free(array);
}int indices_to_index(multi_dim_array *array, int *indices) {int index = 0, multiplier = 1;for (int i = array->dimensions - 1; i >= 0; i--) {index += indices[i] * multiplier;if (i > 0) {multiplier *= array->sizes[i];}}return index;
}int *index_to_indices(multi_dim_array *array, int index) {int *indices = (int *)malloc(sizeof(int) * array->dimensions);for (int i = array->dimensions - 1; i >= 0; i--) {if (i == 0) {// 对于最外层,直接将剩余的index赋值indices[i] = index;} else {indices[i] = index % array->sizes[i];index /= array->sizes[i];}}return indices;
}void set_value_at(multi_dim_array *array, int *indices, int value) {int index = indices_to_index(array, indices);array->data[index] = value;
}void traverse_multi_dim_array(multi_dim_array *array, md_arr_item_proc_fn proc, void *context) {if (proc == NULL) {return;}int *skip_prefix = NULL, skip_len = 0;for (int index = 0; index < array->total_size; index++) {int *indices = index_to_indices(array, index);if (skip_prefix != NULL) {if (memcmp(indices, skip_prefix, skip_len * sizeof(int)) == 0) {free(indices);continue;}free(skip_prefix);skip_prefix = NULL;skip_len = 0;}u64 ret = proc(array, indices, index, array->data[index], context);if (ret == (u64)-1) {free(indices);if (skip_prefix != NULL) {free(skip_prefix);}return;}if (ret != 0) {skip_prefix = (int *)ret;skip_len = skip_prefix[array->dimensions];}free(indices);}if (skip_prefix != NULL) {free(skip_prefix);}
}
01背包问题(01KnapsackProblem.h)
inline int max(int a, int b) {return (a > b) ? a : b;
}// 01背包问题的结果定义
typedef struct _01KpResult {int p; // 总的效益int w; // 放入的总重量int length; // 数组长度int select[]; // 物品放入背包的状态: 0 - 不放入; 1 - 放入
} dp_01_kp_result;/*** @brief 动态规划-01背包问题: 常规(传统)思路,使用多维数组记录每种物品放与不放的效益,找最大值。该方法更容易理解,但是当物品数量增加时,复杂度指数级增加(2为底的指数级增加),** @param n n种物品* @param c 背包容量(重量)* @param w 物品的重量(数组)* @param p 物品的效益(数组)* @param times 与算法无关,用于统计遍历次数* @return dp_01_kp_result* 结果*/
dp_01_kp_result* dp_01_knapsack_problem_general_way(int n, int c, int w[], int p[], long* times);
01背包问题(01KnapsackProblem.c)
// 采用常规思路的方法
typedef struct _kp_context {int n;int c;int *w;int *p;int max_p;int index;long *times;
} kp_context;u64 proc_each_step(multi_dim_array *array, int *indices, int index, int val, void *context) {kp_context *kc = (kp_context *)context;int weight = 0, p_val = 0;for (int i = 0; i < array->dimensions; i++) {(*kc->times)++;if (indices[i] != 0) {// 放weight += kc->w[i];if (weight > kc->c) {int *skip_prefix = (int *)malloc((array->dimensions + 1) * sizeof(int));memcpy(skip_prefix, indices, (i + 1) * sizeof(int));skip_prefix[array->dimensions] = i + 1;return (u64)skip_prefix;}p_val += kc->p[i];}}if (kc->max_p < p_val) {kc->max_p = p_val;kc->index = index;}return 0;
}dp_01_kp_result *dp_01_knapsack_problem_general_way(int n, int c, int w[], int p[], long *times) {int *array_sizes = (int *)malloc(sizeof(int) * n);for (int i = 0; i < n; i++) {array_sizes[i] = 2; // 每个维度只有2个,下标0表示不放,1表示放}kp_context kc = {n : n,c : c,w : &w[0],p : &p[0],max_p : 0,index : 0,times : times,};// 创建一个n维的多维数组multi_dim_array *array = create_multi_dim_array(n, array_sizes);free(array_sizes);array_sizes = NULL;// 遍历多维数组来对比每一种物品组合的最大效益traverse_multi_dim_array(array, proc_each_step, (void *)&kc);// 构造结果dp_01_kp_result *result = (dp_01_kp_result *)malloc(sizeof(dp_01_kp_result) + sizeof(int) * n);memset(result, 0x0, sizeof(dp_01_kp_result) + sizeof(int) * n);result->p = kc.max_p;result->length = n;// printf("** kc index[%d] max_p[%d]\n", kc.index, kc.max_p);(*times) += 2 * n;int *indices = index_to_indices(array, kc.index);for (int i = 0; i < n; i++) {result->select[i] = indices[i];if (indices[i] == 1) {result->w += w[i];}}free(indices);free_multi_dim_array(array);return result;
}
测试代码(test_01_kp.c)
void print_result(int caseId, dp_01_kp_result *result, long times, int leftW) {printf("case[%02d] total: %d, leftW: %2d, times: %5ld, select: ", caseId, result->p, leftW, times);for (int i = 0; i < result1->length; i++) {printf("%d", result->select[i]);if (i != result->length - 1) {printf(", ");}}printf("\n");
}int test_01_kp(int argc, char **argv) {kp_param params[] = {kp_param{n : 6,c : 60,w : {15, 17, 20, 12, 9, 14},p : {32, 37, 46, 26, 21, 30},},kp_param{n : 3,c : 50,w : {10, 20, 30},p : {60, 100, 120},},kp_param{n : 10,c : 100,w : {15, 17, 20, 12, 9, 14, 11, 23, 60, 50},p : {32, 37, 46, 26, 21, 30, 30, 20, 50, 40},},kp_param{n : 10,c : 100,w : {23, 60, 50, 15, 17, 20, 12, 9, 14, 11},p : {20, 50, 40, 32, 37, 46, 26, 21, 30, 30},},kp_param{// 法2优于法1一点点n : 10,c : 1000,w : {23, 60, 50, 15, 17, 20, 12, 9, 14, 11},p : {20, 50, 40, 32, 37, 46, 26, 21, 30, 30},},kp_param{n : 10,c : 220,w : {23, 60, 50, 15, 17, 20, 12, 9, 14, 11},p : {20, 50, 40, 32, 37, 46, 26, 21, 30, 30},},};int len = sizeof(params) / sizeof(params[0]);long times = 0;for (int i = 0; i < len; i++) {kp_param *param = ¶ms[i];dp_01_kp_result *result = dp_01_knapsack_problem_general_way(param->n, param->c, param->w, param->p, ×);if (result == NULL) {return -1;}print_result(i + 1, result, times, param->c - result->w);free(result);times = 0;}return 0;
}
测试输出 :
case[01] total: 134, leftW: 0, times: 432, select: 0, 1, 1, 0, 1, 1
case[02] total: 220, leftW: 0, times: 206, select: 0, 1, 1
case[03] total: 222, leftW: 2, times: 1121, select: 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0
case[04] total: 222, leftW: 2, times: 1121, select: 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
case[05] total: 332, leftW: 769, times: 11021, select: 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
case[06] total: 312, leftW: 12, times: 2441, select: 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
接下来描述“官方”的算法和实现,以便后续与本算法进行对比。
官方递推关系算法
基本上所有的01背包问题,都是采用的这个递推关系:
设m(i, j)为背包容量j,可取物品范围为i~n的最大效益值。则
- 当0 <= j < wi时,物品i不可能装入,最大效益值与m(i+1, j)相同;
- 当j >= wi时,有两种选择:
(1) 不装入物品i,这时的最大效益值与m(i+1, j)相同;
(2) 装入物品i,这时会产生效益pi,背包剩余容量为j - wi,可以选择物品i+1 ~ n来装,最大效益值为m(i+1, j-wi) + pi;
取这两种情况中的最大值的那个max(m(i+1, j), m(i+1, j-wi) + pi)
该递推关系从物品选择和背包容量2个角度来递推的,算法过程中使用二维数组记录每种i和j的配对情况下的效益值,最终的结果为m(1, c)。
为了方便编码,同等地可将上面这个递推关系调整为(上面是逆序的,下面改为顺序的遍历):
设m(i, j)为背包容量j,可取物品范围为1, 2, …, i的最大效益值。则
- 当0 <= j < wi时,物品i不可能装入,最大效益值与m(i-1, j)相同;
- 当j >= wi时,有两种选择:
(1) 不装入物品i,这时的最大效益值与m(i-1, j)相同;
(2) 装入物品i,这时会产生效益p(i),背包剩余容量为j - wi,可以选择物品1, 2, …, i-1来装,最大效益值为m(i-1, j-wi) + pi;
取这两种情况中的最大值的那个max(m(i-1, j), m(i-1, j-wi) + pi)
调整后的递推关系,最终结果为m(n, c)。
代码实现
01背包问题(01KnapsackProblem.h)
inline int max(int a, int b) {return (a > b) ? a : b;
}
// 01背包问题的结果定义
typedef struct _01KpResult {int p; // 总的效益int w; // 放入的总重量int length; // 数组长度int select[]; // 物品放入背包的状态: 0 - 不放入; 1 - 放入
} dp_01_kp_result;/*** @brief 动态规划-01背包问题: 二维数组记录递归中间结果,递推关系使用的是放的物品和背包容量** @param n n种物品* @param c 背包容量(重量)* @param w 物品的重量(数组)* @param p 物品的效益(数组)* @return dp_01_kp_result* 结果*/
dp_01_kp_result* dp_01_knapsack_problem(int n, int c, int w[], int p[], long* times);
01背包问题(01KnapsackProblem.c)
dp_01_kp_result *dp_01_knapsack_problem(int n, // 物品种类数量int c, // 背包重量容量int w[], // 每个物品的重量int p[], // 每个物品的效益long *times // 遍历次数统计
) {int dp[n + 1][c + 1]; // dp[i][j]表示,背包容量为j,可取物品访问为1~i的最大效益值for (int i = 0; i <= n; i++) {for (int j = 0; j <= c; j++) {(*times)++;if (i == 0 || w == 0) {dp[i][j] = 0;} else if (w[i - 1] <= j) {// 当 j >= w[i](由于0被占用,这里取的是w[i-1])// 分2种情况:// 1) 放入i:p[i - 1] + dp[i - 1][j - w[i - 1]]// 其中p[i - 1]是i物品的效益,dp[i - 1][j - w[i - 1]]是为i预留空间时的i-1物品的最大效益// 2) 不放入i: dp[i - 1][j]// 取二者最大值dp[i][j] = max(p[i - 1] + dp[i - 1][j - w[i - 1]], dp[i - 1][j]);} else {// 当 j < w[i] (由于0被占用,这里取的是w[i-1])// 说明不放入i,那么就有:dp[i][j] = dp[i - 1][j];}}}dp_01_kp_result *result = (dp_01_kp_result *)malloc(sizeof(dp_01_kp_result) + sizeof(int) * n);memset(result, 0x0, sizeof(dp_01_kp_result) + sizeof(int) * n);result->p = dp[n][c];result->length = n;// 方向找到选择了哪些物品for (int i = n; i > 0 && c > 0; i--) {(*times)++;if (dp[i][c] != dp[i - 1][c]) {// 说明放入了i-1result->select[i - 1] = 1; // 标记选择c -= w[i - 1];result->w += w[i - 1];}}return result;
}
测试代码(test_01_kp.c)
void print_result(int caseId, dp_01_kp_result *result, long times, int leftW) {printf("case[%02d] total: %d, leftW: %2d, times: %5ld, select: ", caseId, result->p, leftW, times);for (int i = 0; i < result1->length; i++) {printf("%d", result->select[i]);if (i != result->length - 1) {printf(", ");}}printf("\n");
}int test_01_kp(int argc, char **argv) {kp_param params[] = {kp_param{n : 6,c : 60,w : {15, 17, 20, 12, 9, 14},p : {32, 37, 46, 26, 21, 30},},kp_param{n : 3,c : 50,w : {10, 20, 30},p : {60, 100, 120},},kp_param{n : 10,c : 100,w : {15, 17, 20, 12, 9, 14, 11, 23, 60, 50},p : {32, 37, 46, 26, 21, 30, 30, 20, 50, 40},},kp_param{n : 10,c : 100,w : {23, 60, 50, 15, 17, 20, 12, 9, 14, 11},p : {20, 50, 40, 32, 37, 46, 26, 21, 30, 30},},kp_param{// 法2优于法1一点点n : 10,c : 1000,w : {23, 60, 50, 15, 17, 20, 12, 9, 14, 11},p : {20, 50, 40, 32, 37, 46, 26, 21, 30, 30},},kp_param{n : 10,c : 220,w : {23, 60, 50, 15, 17, 20, 12, 9, 14, 11},p : {20, 50, 40, 32, 37, 46, 26, 21, 30, 30},},};int len = sizeof(params) / sizeof(params[0]);long times = 0;for (int i = 0; i < len; i++) {kp_param *param = ¶ms[i];dp_01_kp_result *result = dp_01_knapsack_problem(param->n, param->c, param->w, param->p, ×);if (result1 == NULL) {return -1;}print_result(i + 1, result, times, param->c - result->w);free(result);times = 0;}return 0;
}
测试输出 :
case[01] total: 134, leftW: 0, times: 432, select: 0, 1, 1, 0, 1, 1
case[02] total: 220, leftW: 0, times: 206, select: 0, 1, 1
case[03] total: 222, leftW: 2, times: 1121, select: 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0
case[04] total: 222, leftW: 2, times: 1121, select: 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
case[05] total: 332, leftW: 769, times: 11021, select: 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
case[06] total: 312, leftW: 12, times: 2441, select: 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
2种算法比较
-
算法1简单易懂,算法2会比较难懂。算法2很难理解的点为:为什么按照物品i的选择和背包容量j这2个维度来构建递推关系
-
算法2优于算法1
(1) 算法1时间复杂度为2n,其中n是物品的个数,随着物品的数量增加,复杂度指数级递增;
(2) 算法2时间复杂度为n*c,其中n为物品的数量,c是背包的容量。
上面的测试结果,汇总如下,其中每组输出中带"–>"开头的是算法1的结果:
case[01] total: 134, leftW: 0, times: 432, select: 0, 1, 1, 0, 1, 1
--> total: 134, leftW: 0, times: 369, select: 0, 1, 1, 0, 1, 1
case[02] total: 220, leftW: 0, times: 206, select: 0, 1, 1
--> total: 220, leftW: 0, times: 30, select: 0, 1, 1
case[03] total: 222, leftW: 2, times: 1121, select: 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0
--> total: 222, leftW: 2, times: 7805, select: 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0
case[04] total: 222, leftW: 2, times: 1121, select: 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
--> total: 222, leftW: 2, times: 4762, select: 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
case[05] total: 332, leftW: 769, times: 11021, select: 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
--> total: 332, leftW: 769, times: 10260, select: 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
case[06] total: 312, leftW: 12, times: 2441, select: 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
--> total: 312, leftW: 12, times: 10260, select: 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
可以看到在n比较小的时候,算法1优于算法2;当随着n的增大,算法2的优势就体现出来了。
- 算法1帮助理解算法2。算法1很容易理解,但是当n足够大时,复杂度指数增长,那么如何优化呢?于是前辈们就折腾出了算法2,不得不让人佩服。
这篇关于动态规划-01背包问题新解(c)的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!