01背包问题 （动态规划算法）

以下内容部分转载于https://blog.csdn.net/xp731574722/article/details/70766804，本人对其补充。

0-1 背包问题：给定 n 种物品和一个容量为 C 的背包，物品 i 的重量是 wi，其价值为 vi 。

问：应该如何选择装入背包的物品，使得装入背包中的物品的总价值最大？

分析一波，面对每个物品，我们只有选择拿取或者不拿两种选择，不能选择装入某物品的一部分，也不能装入同一物品多次。

解决办法：声明一个 大小为  m[n][c] 的二维数组，m[ i ][ j ] 表示 在面对第 i 件物品，且背包容量为  j 时所能获得的最大价值 ，那么我们可以很容易分析得出 m[i][j] 的计算方法，

（1）. j < w[i] 的情况，这时候背包容量不足以放下第 i 件物品，只能选择不拿

m[ i ][ j ] = m[ i-1 ][ j ]

（2）. j>=w[i] 的情况，这时背包容量可以放下第 i 件物品，我们就要考虑拿这件物品是否能获取更大的价值。

如果拿取，m[ i ][ j ]=m[ i-1 ][ j-w[ i ] ] + v[ i ]。 这里的m[ i-1 ][ j-w[ i ] ]指的就是考虑了i-1件物品，背包容量为j-w[i]时的最大价值，也是相当于为第i件物品腾出了w[i]的空间。

如果不拿，m[ i ][ j ] = m[ i-1 ][ j ] , 同（1）

究竟是拿还是不拿，自然是比较这两种情况那种价值最大。

由此可以得到状态转移方程：

if(j>=w[i])
m[i][j]=max(m[i -1][j],m[i -1][j-w[i]]+v[i]);
else
m[i][j]=m[i -1][j];

例：0-1背包问题。在使用动态规划算法求解0-1背包问题时，使用二维数组m[i][j]存储背包剩余容量为j，可选物品为i、i+1、……、n时0-1背包问题的最优值。绘制

价值数组v = {8, 10, 6, 3, 7, 2}，

重量数组w = {4, 6, 2, 2, 5, 1}，

背包容量C = 12时对应的m[i][j]数组。

0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1	0	0	0	8	8	8	8	8	8	8	8	8
2	0	0	0	8	8	10	10	10	10	18	18	18
3	0	6	6	8	8	14	14	16	16	18	18	24
4	0	6	6	9	9	14	14	17	17	19	19	24
5	0	6	6	9	9	14	14	17	17	19	21	24
6	2	6	8	9	11	14	16	17	19	19	21	24

(第一行和第一列为序号，其数值为0)

如m[2][6],在面对第二件物品，背包容量为6时我们可以选择不拿，那么获得价值仅为第一件物品的价值8，如果拿，就要把第一件物品拿出来，放第二件物品，价值10，那我们当然是选择拿。m[2][6]=m[1][0]+10=0+10=10;依次类推，得到m[6][12]就是考虑所有物品，背包容量为C时的最大价值。

c++代码

#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;


const int N= 15;


int main()
{
   int v[N]={ 0, 8, 10, 6, 3, 7, 2};
   int w[N]={ 0, 4, 6, 2, 2, 5, 1};


   int m[N][N];
   int n= 6,c= 12;
   memset(m, 0, sizeof(m));
   for( int i= 1;i<=n;i++)
   {
       for( int j= 1;j<=c;j++)
       {
           if(j>=w[i])
               m[i][j]=max(m[i -1][j],m[i -1][j-w[i]]+v[i]);


           else
               m[i][j]=m[i -1][j];
       }
   }


   for( int i= 1;i<=n;i++)
   {
       for( int j= 1;j<=c;j++)
       {
           cout<<m[i][j]<< ' ';
       }
       cout<< endl;
   }


   return 0;
}

c语言代码

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#define N 100
int p[N]={0,8,10,6,3,7,2};
int w[N]={0,4,6,2,2,5,1};
int m[N][N]={0};
int max(int ,int);
int main(){
    int n,c;
    int i,j;
    scanf("%d%d",&n,&c);
    for(i=1;i<=n;i++)
    for(j=1;j<=c;j++){
        if(j>=w[i])        m[i][j]=max(m[i-1][j],m[i-1][j-w[i]]+p[i]);
        else m[i][j]=m[i-1][j];
    }
    for(i=1;i<=n;i++){
        for(j=1;j<=c;j++)
            printf("%2d ",m[i][j]);
        printf("\n");
    }
    printf("%d\n",m[n][c]);
    return 0;
}
int max(int a,int b){
    return a>b?a:b;
}
到这一步，可以确定的是可能获得的最大价值，但是我们并不清楚具体选择哪几样物品能获得最大价值。

另起一个 x[ ] 数组，x[i]=0表示不拿，x[i]=1表示拿。

m[n][c]为最优值，如果m[n][c]=m[n-1][c] ,说明有没有第n件物品都一样，则x[n]=0 ; 否则 x[n]=1。当x[n]=0时，由x[n-1][c]继续构造最优解；当x[n]=1时，则由x[n-1][c-w[i]]继续构造最优解。以此类推，可构造出所有的最优解。

这段代码解释：m[ i ][ j ] 表示 在面对第 i 件物品，且背包容量为  j 时所能获得的最大价值，那么每个m[i][j]对应的都是最大价值，m[i][j]初始值都是0，则遍历所有m[i][j]，只要不等于0，就表示装进背包，x[i]=1.以下代码就是根据这个这个核心来编写的。

void traceback()
{
for( int i=n;i> 1;i--)
{
if(m[i][c]==m[i -1][c])//两者最大值相同，表明i没装进背包
x[i]= 0;
else
{
x[i]= 1;
c-=w[i];
}
}
x[ 1]=(m[ 1][c]> 0)? 1: 0;
}

例：

某工厂预计明年有A、B、C、D四个新建项目，每个项目的投资额W_k及其投资后的收益V_k如下表所示，投资总额为30万元，如何选择项目才能使总收益最大？

Project	Wk	Vk
A	15	12
B	10	8
C	12	9
D	8	5

结合前面两段代码

#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;

const int N= 150;

int v[N]={ 0, 12, 8, 9, 5};
int w[N]={ 0, 15, 10, 12, 8};
int x[N];
int m[N][N];
int c= 30;
int n= 4;
void traceback()
{
for( int i=n;i> 1;i--)
{
if(m[i][c]==m[i -1][c])
x[i]= 0;
else
{
x[i]= 1;
c-=w[i];
}
}
x[ 1]=(m[ 1][c]> 0)? 1: 0;
}

int main()
{


memset(m, 0, sizeof(m));
for( int i= 1;i<=n;i++)
{
for( int j= 1;j<=c;j++)
{
if(j>=w[i])
m[i][j]=max(m[i -1][j],m[i -1][j-w[i]]+v[i]);

else
m[i][j]=m[i -1][j];
}
} /*
for(int i=1;i<=6;i++)
{
for(int j=1;j<=c;j++)
{
cout<<m[i][j]<<' ';
}
cout<<endl;
}
*/
traceback();
for( int i= 1;i<=n;i++)
cout<<x[i];
return 0;
}

c语言代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#define N 100
int p[N]={0,12,8,9,5};
int w[N]={0,15,10,12,8};
int m[N][N]={0};
int x[N]={0};
int max(int ,int);
void choose(int ,int );
int main(){
    int n,c;
    int i,j;
    scanf("%d%d",&n,&c);
    for(i=1;i<=n;i++)
    for(j=1;j<=c;j++){
        if(j>=w[i])        m[i][j]=max(m[i-1][j],m[i-1][j-w[i]]+p[i]);
        else m[i][j]=m[i-1][j];
    }
    for(i=1;i<=n;i++){
        for(j=1;j<=c;j++)
            printf("%2d ",m[i][j]);
        printf("\n");
    }
    printf("%d\n",m[n][c]);
    choose(n,c);
    for(i=1;i<=n;i++)  {
        printf("%d ",i);
    }
    printf("\n");
    for(i=1;i<=n;i++)
        printf("%d ",x[i]);
    return 0;
}
int max(int a,int b){
    return a>b?a:b;
}
void choose(int n,int c){
    int i;
    for(i=n;i>1;i--)
    if(m[i][c]==m[i-1][c])  x[i]=0;
    else {
        x[i]=1;
        c-=w[i];
    }
    x[1]=(m[1][c]>0)?1:0;

}

前面两个例题只要修改相应的数值即是各例题的代码。

输出x[i]数组：0111，输出m[4][30]：22。

得出结论：选择BCD三个项目总收益最大，为22万元。

不过这种算法只能得到一种最优解，并不能得出所有的最优解。