0-1背包问题的算法设计策略对比与分析报告
算法设计与分析大作业
班级：电子154 姓名：吴志勇
学号： 1049731503279 任课老师：李瑞芳
日期： 2015.12.25
算法设计与分析课程论文
0-1背包问题的算法设计策略对比与分析
0 引言
对于计算机科学来说，算法的概念是至关重要的。在一个大型软件系统的开发中，设计出有效的算法将起到决定性的作用。通俗的讲，算法是解决问题的一种方法。也因此，《算法分析与设计》成为计算科学的核心问题之一，也是计算机科学与技术专业本科及研究生的一门重要的专业基础课。算法分析与设计是计算机软件开发人员必修课，软件的效率和稳定性取决于软件中所采用的算法；对于一般程序员和计算机专业学生，学习算法设计与分析课程，可以开阔编程思路，编写出优质程序。通过老师的解析，培养我们怎样分析算法的“好”于“坏”，怎样设计算法，并以广泛用于计算机科学中的算法为例，对种类不同难度的算法设计进行系统的介绍与比较。本课程将培养学生严格的设计与分析算法的思维方式，改变随意拼凑算法的习惯。本课程要求具备离散数学、程序设计语言、数据结构等先行课课程的知识。
1 算法复杂性分析的方法介绍
算法复杂性的高低体现在运行该算法所需要的计算机资源的多少上，所需的资源越多，该算法的复杂性越高；反之，所需资源越少，该算法的复杂性越低。对计算机资源，最重要的是时间与空间（即存储器）资源。因此，算法的复杂性有时间复杂性T(n)与空间复杂性S(n)之分。
算法复杂性是算法运行所需要的计算机资源的量，这个量应集中反映算法的效率，并从运行该算法的实际计算机中抽象出来，换句话说，这个量应该只依赖要解决的问题规模‘算法的输入和算法本身的函数。用C表示复杂性，N,I和A表示问题的规模、算法的输入和算法本身规模，则有如下表达式：
C=F(N,I,A) T=F(N，I,A) S=F(N，I,A)
其中F(N,I,A)是一个三元函数。通常A隐含在复杂性函数名当中，因此表达式中一般不写A。
即：C=F(N,I) T=F(N,I) S=F(N,I)
算法复杂性中时间与空间复杂性算法相似，所以以下算法复杂性主要以时间复杂性为例：
算法的时间复杂性一般分为三种情况：最坏情况、最好情况和平均情况。下面描述算法复杂性时都是用的简化的复杂性算法分析，引入了渐近意义的记号O,Ω，θ，和o。
O表示渐近上界Ω表示渐近下界：
θ表示同阶即：f(n)= O(g(n))且 f(n)= Ω（g(n)）
2 常见的算法分析设计策略介绍
2.1 递归与分治策略
分治法的设计思想是，将一个难以直接解决的大问题，分割成一些规模较小的相同问题，以便各个击破，分而治之。
直接或间接地调用自身的算法称为递归算法。用函数自身给出定义的函数称为递归函数。
由分治法产生的子问题往往是原问题的较小模式，这就为使用递归技术提供了方便。在这种情况下，反复应用分治手段，可以使子问题与原问题类型一致而其规模却不断缩小，最终使子问题缩小到很容易直接求出其解。这自然导致递归过程的产生。
分治与递归像一对孪生兄弟，经常同时应用在算法设计之中，并由此产生许多高效算法。
递归算法举例：
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0-1背包问题的算法设计策略对比与分析
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Fibonacci 数列
无穷数列1，1，2，3，5，8，13，21，34，55，……，称为Fibonacci 数列。它可以递归地
定义为：
第n 个Fibonacci 数可递归地计算如下：
int fibonacci (int n)
{
if (n <= 1) return 1;
return fibonacci (n-1)+fibonacci (n-2);
}
从上看出：
递归算法的有点为：
结构清晰，可读性强，而且容易用数学归纳法来证明算法的正确性，因此它为设计算法、
调试程序带来很大方便。
缺点为：递归算法的运行效率较低，无论是耗费的计算时间还是占用的存储空间都比非递
归算法要多。
分治算法：
一个分治法将规模为n 的问题分成k 个规模为n ／m 的子问题去解。设分解阀值n0=1，且adhoc 解规模为1的问题耗费1个单位时间。再设将原问题分解为k 个子问题以及用merge 将k 个子问题的解合并为原问题的解需用f(n)个单位时间。用T(n)表示该分治法解规模为|P|=n 的问题所需的计算时间，则有：
通过迭代法求得方程的解： 算法举例：
二分搜索技术：给定已按升序排好序的n 个元素a[0:n-1]
，现要在这n 个元素中找出一特定元素x 。
据此容易设计出二。搜索算法：
template
int BinarySearch(Type a[], const Type& x, int l, int r)
{
while (r >= l){
int m = (l+r)/2;
if (x == a[m]) return m;
if (x < a[m]) r = m-1; else l = m+1;
}
return -1;
} 110)2()1(11)
(>==?????-+-=n n n n F n F n F 11)()/()1()(>=???+=n n n f m n kT O n T ∑-=+=1log 0log )
/()(n m j j
j k m m n f k n n T
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算法复杂度分析：
每执行一次算法的while 循环， 待搜索数组的大小减少一半。因此，在最坏情况下，
while 循环被执行了O(logn) 次。循环体内运算需要O(1) 时间，因此整个算法在最坏情况下
的计算时间复杂性为O(logn)。
快速排序法：
在快速排序中，记录的比较和交换是从两端向中间进行的，关键字较大的记录一次就
能交换到后面单元，关键字较小的记录一次就能交换到前面单元，记录每次移动的距离较大，
因而总的比较和移动次数较少。
void QuickSort (Type a[], int p, int r)
{
if (p int q=Partition(a,p,r); QuickSort (a,p,q-1); //对左半段排序 QuickSort (a,q+1,r); //对右半段排序 } } 复杂性分析： 最坏时间复杂度：O(n2) 平均时间复杂度：O(nlogn) 辅助空间：O(n)或O(logn) 2.2 动态规划 动态规划算法与分治法类似，其基本思想也是将待求解问题分解成若干个子问题但是经分解 得到的子问题往往不是互相独立的。不同子问题的数目常常只有多项式量级。在用分治法求解时，有些子问题被重复计算了许多次。如果能够保存已解决的子问题的答案，而在需要时再找出已求得的答案，就可以避免大量重复计算，从而得到多项式时间算法。 方法步骤： 1）找出最优解的性质，并刻划其结构特征。 2）递归地定义最优值。 3）以自底向上的方式计算出最优值。 4）根据计算最优值时得到的信息，构造最优解。 举例：矩阵连成问题 基本要素： 1） 最优子结构 2） 重叠子问题 3） 备忘录方法 将矩阵连乘积 简记为A[i:j] ，这里i ≤j 考察计算A[i:j]的最优计算次序。设这个计算次序在矩阵Ak 和Ak+1之间将矩阵链断开，i ≤k A[i:k]和A[k+1:j]相乘的计算量。 ) ...)(...(211j k k k i i A A A A A A +++ 0-1背包问题的算法设计策略对比与分析 算法如下： void MatrixChain(int *p，int n，int **m，int **s) { for (int i = 1; i <= n; i++) m[i][i] = 0; for (int r = 2; r <= n; r++) for (int i = 1; i <= n - r+1; i++) { int j=i+r-1; m[i][j] = m[i+1][j]+ p[i-1]*p[i]*p[j]; s[i][j] = i; for (int k = i+1; k < j; k++) { int t = m[i][k] + m[k+1][j] + p[i-1]*p[k]*p[j]; if (t < m[i][j]) { m[i][j] = t; s[i][j] = k;} } } } 算法复杂度分析： 算法matrixChain的主要计算量取决于算法中对r，i和k的3重循环。循环体内的计算量为O(1)，而3重循环的总次数为O(n3)。因此算法的计算时间上界为O(n3)。算法所占用的空间显然为O(n2)。 2.3 贪心算法 顾名思义，贪心算法总是作出在当前看来最好的选择。也就是说贪心算法并不从整体最优考虑，它所作出的选择只是在某种意义上的局部最优选择。当然，希望贪心算法得到的最终结果也是整体最优的。虽然贪心算法不能对所有问题都得到整体最优解，但对许多问题它能产生整体最优解。 如单源最短路经问题，最小生成树问题等。在一些情况下，即使贪心算法不能得到整体最优解，其最终结果却是最优解的很好近似。 可用贪心算法解决的问题的性质： 1）贪心选择性质 2）最优子结构性质 举例：最优装载问题 有一批集装箱要装上一艘载重量为c的轮船。其中集装箱i的重量为Wi。最优装载问题要求确定在装载体积不受限制的情况下，将尽可能多的集装箱装上轮船。 算法描述 最优装载问题可用贪心算法求解。采用重量最轻者先装的贪心选择策略，可产生最优装载问题的最优解。具体算法描述如下。 template void Loading(int x[], Type w[], Type c, int n) { int *t = new int [n+1]; Sort(w, t, n); for (int i = 1; i <= n; i++) x[i] = 0; for (int i = 1; i <= n && w[t[i]] <= c; i++) {x[t[i]] = 1; c -= w[t[i]];} } 最优装载问题满足贪心算法的两个基本性质，可以用贪心算法实现。 共11页第4页 算法设计与分析课程论文 2.4 回溯法 回溯法的基本做法是搜索，或是一种组织得井井有条的，能避免不必要搜索的穷举式搜索法。这种方法适用于解一些组合数相当大的问题。 回溯法在问题的解空间树中，按深度优先策略，从根结点出发搜索解空间树。算法搜索至解空间树的任意一点时，先判断该结点是否包含问题的解。如果肯定不包含，则跳过 对该结点为根的子树的搜索，逐层向其祖先结点回溯；否则，进入该子树，继续按深度优 先策略搜索。 为了避免生成那些不可能产生最佳解的问题状态，要不断地利用限界函数(bounding function)来处死那些实际上不可能产生所需解的活结点，以减少问题的计算量。具有限 界函数的深度优先生成法称为回溯法。 回溯法的基本思想： (1)针对所给问题，定义问题的解空间； (2)确定易于搜索的解空间结构； (3)以深度优先方式搜索解空间，并在搜索过程中用剪枝函数避免无效搜索 举例分析：符号三角形问题： 下图是由14个“+”和14个“-”组成的符号三角形。2个同号下面都是“+”，2是“-”。 + + -+ -+ + + ----+ -+ + + - -+ + - -+ - -- + 解法：解向量：用n元组x[1:n]表示符号三角形的第一行。 可行性约束函数：当前符号三角形所包含的“+”个数与“-”个数均不超过n*(n+1)/4 无解的判断：n*(n+1)/2为奇数 void Triangle::Backtrack(int t) { if ((count>half)||(t*(t-1)/2-count>half)) return; if (t>n) sum++; else for (int i=0;i<2;i++) { p[1][t]=i; count+=i; for (int j=2;j<=t;j++) { p[j][t-j+1]=p[j-1][t-j+1]^p[j-1][t-j+2]; count+=p[j][t-j+1]; } 共11页第5页 0-1背包问题的算法设计策略对比与分析 Backtrack(t+1); for (int j=2;j<=t;j++) count-=p[j][t-j+1]; count-=i; } } 复杂度分析 计算可行性约束需要O(n)时间，在最坏情况下有 O(2n)个结点需要计算可行性约束，故解符号三角形问题的回溯算法所需的计算时间为 O(n2n)。 2.5 分支限界法 分支限界法常以广度优先或以最小耗费（最大效益）优先的方式搜索问题的解空间树。 在分支限界法中，每一个活结点只有一次机会成为扩展结点。活结点一旦成为扩展结点，就一次性产生其所有儿子结点。在这些儿子结点中，导致不可行解或导致非最优解的儿子结点被舍弃，其余儿子结点被加入活结点表中。 此后，从活结点表中取下一结点成为当前扩展结点，并重复上述结点扩展过程。这个过程一直持续到找到所需的解或活结点表为空时为止。 常见的两种分支限界法： （1）队列式(FIFO)分支限界法 按照队列先进先出（FIFO）原则选取下一个节点为扩展节点。 （2）优先队列式分支限界法 按照优先队列中规定的优先级选取优先级最高的节点成为当前扩展节点。 举例:0-1背包问题 算法思想： 首先，要对输入数据进行预处理，将各物品依其单位重量价值从大到小进行排列。 在下面描述的优先队列分支限界法中，节点的优先级由已装袋的物品价值加上剩下的最大单位重量价值的物品装满剩余容量的价值和。 算法首先检查当前扩展结点的左儿子结点的可行性。如果该左儿子结点是可行结点，则将它加入到子集树和活结点优先队列中。当前扩展结点的右儿子结点一定是可行结点，仅当右儿子结点满足上界约束时才将它加入子集树和活结点优先队列。当扩展到叶节点时为问题的最优值。 部分算法如下： while (i != n+1) {// 非叶结点 // 检查当前扩展结点的左儿子结点 Typew wt = cw + w[i]; if (wt <= c) {// 左儿子结点为可行结点 if (cp+p[i] > bestp) bestp = cp+p[i]; AddLiveNode(up, cp+p[i], cw+w[i], true, i+1);} up = Bound(i+1); // 检查当前扩展结点的右儿子结点 if (up >= bestp) // 右子树可能含最优解 AddLiveNode(up, cp, cw, false, i+1); // 取下一个扩展节点（略） } 共11页第6页 算法设计与分析课程论文 共11页 第7页 3 结合0-1背包问题详述动态规划、贪心算法、回溯法、分支限界法解决问题的过程 0-1背包问题 ： 给定n 种物品和一背包。物品i 的重量是wi ，其价值为vi ，背包的容量为C 。问应如何选择装入背包的物品，使得装入背包中物品的总价值最大? 动态规划算法： 设所给0-1背包问题的子问题 的最优值为m(i ，j)，即m(i ，j)是背包容量为j ，可选择物品为i ，i+1，…，n 时0-1背包问题的最优值。由0-1背包问题的最优子结构性质，可以建立计算m(i ， j)的递归式如下。 算法复杂度分析： 从m(i ，j)的递归式容易看出，算法需要O(nc)计算时间。当背包容量c 很大时，算法需要的计算时间较多。例如，当c>2n 时，算法需要Ω(n2n)计算时间。 改进算法： 由m(i,j)的递归式容易证明，在一般情况下，对每一个确定的i(1≤i ≤n)，函数m(i,j)是关于变量j 的阶梯状单调不减函数。跳跃点是这一类函数的描述特征。在一般情况下，函数m(i,j)由其全部跳跃点唯一确定。对每一个确定的i(1≤i ≤n)，用一个表p[i]存储函数m(i ，j)的全部跳跃点。表p[i]可依计算m(i ，j)的递归式递归地由表p[i+1]计算，初始时p[n+1]={(0，0)}。 函数m(i,j)是由函数m(i+1,j)与函数m(i+1,j-wi)+vi 作max 运算得到的。因此，函数m(i,j)的全部跳跃点包含于函数m(i+1，j)的跳跃点集p[i+1]与函数m(i+1，j-wi)+vi 的跳跃点集q[i+1]的并集中。易知，(s,t)∈q[i+1]当且仅当wi ≤s ≤c 且(s-wi,t-vi)∈p[i+1]。因此，容易由p[i+1]确定跳跃点集q[i+1]如下q[i+1]=p[i+1]⊕(wi,vi)={(j+wi,m(i,j)+vi)|(j,m(i,j))∈p[i+1]} 另一方面，设(a ，b)和(c ，d)是p[i+1]?q[i+1]中的2个跳跃点，则当c ≥a 且d 时，(c ，d)受控于(a ，b)，从而(c ，d)不是p[i]中的跳跃点。除受控跳跃点外，p[i+1]?q[i+1]中的其它跳跃点均为p[i]中的跳跃点。 由此可见，在递归地由表p[i+1]计算表p[i]时，可先由p[i+1]计算出q[i+1]，然 后合并表p[i+1]和表q[i+1]，并清除其中的受控跳跃点得到表p[i]。 ∑=n i k k k x v max ?????≤≤∈≤∑=n k i x j x w k n i k k k },1,0{i i i i w j w j j i m v w j i m j i m j i m <≤≥???++-++=0),1(}),1(),,1(max{),(n n n w j w j v j n m <≤≥???=00),( 0-1背包问题的算法设计策略对比与分析 共11页 第8页 改进后复杂性分析： 上述算法的主要计算量在于计算跳跃点集p[i](1≤i ≤n)。由于q[i+1]=p[i+1]⊕(wi ，vi)，故计算q[i+1]需要O(|p[i+1]|)计算时间。合并p[i+1]和q[i+1]并清除受控跳跃点也需要O(|p[i+1]|)计算时间。从跳跃点集p[i]的定义可以看出，p[i]中的跳跃点相应于xi,…,xn 的0/1赋值。因此，p[i]中跳跃点个数不超过2n-i+1。由此可见，算法计算跳跃点集p[i]所花费的计算时间为 从而，改进后算法的计算时间复杂性为O(2n)。当所给物品的重量wi(1≤i ≤n)是整数时，|p[i]|≤c+1，(1≤i ≤n)。在这种情况下，改进后算法的计算时间复杂性为O(min{nc,2n})。 贪心算法： 在选择装入背包的物品时，对每种物品i 只有2种选择，即装入背包或不装入背包。不能将物品i 装入背包多次，也不能只装入部分的物品i 。贪心算法的两条性质，可以放入物品的部分，使它适合背包问题。不适合0-1背包问题，所以不能用贪心算法计算。 回溯法： 回溯法的三个条件： 解空间：子集树 可行性约束函数： 上界函数： template Typep Knap {// 计算上界 Typew cleft = c - cw; // 剩余容量 Typep b = cp; // 以物品单位重量价值递减序装入物品 while (i <= n && w[i] <= cleft) { cleft -= w[i]; b += p[i]; i++; } // 装满背包 if (i <= n) b += p[i]/w[i] * cleft; 11c x w n i i i ≤∑= 算法设计与分析课程论文 return b; } 分支界限法： 如上第二部分2.5所述。 4 对比分析以上四种算法策略 四种算法中都用到了最优子结构这一概念，判断用何种算法，取决于具体问题的具体分析，看是否适用本身，能达到最优算法。动态规划算法与分治算法相似。用于贪心算法的有活动安排问题，最优装载问题，哈夫曼编码问题，单源最短路径问题。对于回溯法，通过约束找到满足条件的所有解，特点为能进就进，不能进就退回来，与递归类似。分支法与回溯法类似，但解的目标是通过约束找到满足条件的一个解，或找到在某种意义下的最优解。回溯法以深度优先的方式搜索解空间树，而分支限界法则以广度优先或以最小耗费优先的方式搜索解空间树。 5 课程总结 通过本课程的学习，加强了我的思维能力，增强了思考问题的深度，也了解到，在编写程序时，算法对于一个程序的重要性，以前只知道程序就是代码，现在知道，代码并不是最重要的部分，好的算法可以说是一个程序成功的关键，也是功能好坏的体现，好的算法可以提高程序的效率，在一定程度上可以说是没有算法，就谈不上编写程序，通俗的说，算法在是一种解决问题的方法，是从事计算机行业人员的必备能力。 共11页第9页 0-1背包问题的算法设计策略对比与分析 参考文献 [1] 王晓东.计算机算法设计与分析.电子工业出版社 [2] 余祥宣,崔国华,邹海明.计算机算法基础[M].武汉:华中科技大学出版社,2003. [3] 吕国英,任瑞征,钱宇华.算法设计与分析:清华大学出版社. [4] 《算法设计与分析》 (第二版)霍红卫编著,西安电子科技大学出版社. 共11页第10页 实验三01背包问题不同算法设计、分析与对比一．问题描述 给定n种物品和一背包。物品i的重量是w i ，其价值为v i ，背包的容量为c。 问题：应如何选择装入背包中的物品，使得装入背包中物品的总价值最大。 说明：在选择装入背包的物品时，对每种物品i只有两个选择，装入背包或不装入背包，也不能将物品装入背包多次。 二．实验内容与要求 实验内容： 1.分析该问题适合采用哪些算法求解（包括近似解）。 ^ 动态规划、贪心、回溯和分支限界算法。 2.分别给出不同算法求解该问题的思想与算法设计，并进行算法复杂性分析。 动态规划： 递推方程： m(i,j) = max{m(i-1,j),m(i-1,j-wi)+vi} j >= wi; m(i-1,j) j < wi; 时间复杂度为O(n). 贪心法： ^ 算法思想：贪心原则为单位价值最大且重量最小，不超过背包最大承重量为约束条件。也就是说，存在单位重量价值相等的两个包，则选取重量较小的那个背包。但是，贪心法当在只有在解决物品可以分割的背包问题时是正确的。贪心算法总是作出在当前看来最好的选择。也就是说贪心算法并不从整体最优考虑，它所作出的选择只是在某种意义上的局部最优选择。 用贪心法设计算法的特点是一步一步地进行，根据某个优化测度（可能是目标函数，也可能不是目标函数），每一步上都要保证能获得局部最优解。每一步只考虑一个数据，它的选取应满足局部优化条件。若下一个数据与部分最优解连在一起不再是可行解时，就不把该数据添加到部分解中， 直到把所有数据枚举完，或者不能再添加为止。 回溯法： 回溯法：为了避免生成那些不可能产生最佳解的问题状态，要不断地利用限界函数(bounding function)来处死那些实际上不可能产生所需解的活结点，以减少问题的计算量。这种具有限界函数的深度优先生成法称为回溯法。 对于有n种可选物品的0/1背包问题，其解空间由长度为n的0-1向量组成,可用子集数表示。在搜索解空间树时，只要其左儿子结点是一个可行结点，搜索就进入左子树。当右子树中有可能包含最优解时就进入右子树搜索。 时间复杂度为：O(2n) 空间复杂度为：O(n) ： 分支限界算法： 首先，要对输入数据进行预处理，将各物品依其单位重量价值从大到小进行排列。在优先队列分支限界法中，节点的优先级由已装袋的物品价值加上剩下的最大单位重量价值的物品装满剩余容量的价值和。 算法首先检查当前扩展结点的左儿子结点的可行性。如果该左儿子结点是可行结点，则将它加入到子集树和活结点优先队列中。当前扩展结点的右儿子结点一定是可行结点，仅当右儿子结点满足上界约束时才将它加入子集树和活结点优先队列。当扩展到叶节点时为问题的最优值。 3.设计并实现所设计的算法。 4.对比不同算法求解该问题的优劣。 这动态规划算法和贪心算法是用来分别解决不同类型的背包问题的，当一件背包物品可以分割的时候，使用贪心算法，按物品的单位体积的价值排序，从大到小取即可。当一件背包物品不可分割的时候，（因为不可分割，所以就算按物品的单位体积的价值大的先取也不一定是最优解）此时使用贪心是不对的，应使用动态规划。 5.需要提交不同算法的实现代码和总结报告。 动态规划方法： public class Knapsack { 《算法分析与设计》 课程实验 专业年级：信息与计算科学 学生学号： 学生姓名： 实验题目：用贪婪法求解背包问题 指导老师： 实验时间：20xx年xx月x日 一、实验内容 用贪婪法求解背包问题 要求：用非递归实现 二、实验步骤 2.1、理解算法思想和问题要求； 2.2、写出每个操作的算法 非递归算法： greedbag() { int N; int c; int[] w; int[] v; Scanner scan=new Scanner(System.in); System.out.print("输入背包的容量:"); c=scan.nextInt(); System.out.print("输入物品的数量:"); N=scan.nextInt(); System.out.print("分别输入物品的价值:"); v=new int[N]; for(int i=0;i 01背包问题，是用来介绍动态规划算法最经典的例子，网上关于01背包问题的讲解也很多，我写这篇文章力争做到用最简单的方式，最少的公式把01背包问题讲解透彻。 01背包的状态转换方程f[i,j] = Max{ f[i-1,j-Wi]+Pi( j >= Wi ), f[i-1,j] } f[i,j]表示在前i件物品中选择若干件放在承重为j 的背包中，可以取得的最大价值。 Pi表示第i件物品的价值。 决策：为了背包中物品总价值最大化，第i件物品应该放入背包中吗？ 题目描述： 有编号分别为a,b,c,d,e的五件物品，它们的重量分别是2,2,6,5,4，它们的价值分别是6,3,5,4,6，现在给你个承重为10的背包，如何让背包里装入的物品具有最 首先要明确这张表是从右到左,至底向上生成的。 为了叙述方便，用e10单元格表示e行10列的单元格，这个单元格的意义是用来表示只有物品e时，有个承重为10的背包，那么这个背包的最大价值是6，因为e物品的重量是4，背包装的了，把e装进去后价值为6。然后是e9单元格表示背包承重9，只有物品e, e装进去后，背包价值为6，接着是e8, e7单元格，一直到e3单元格表示背包承重3，但物品e承重4，装不了，所以e3=0, 对于d10单元格，表示只有物品e，d时,承重为10的背包,所能装入的最大价值，是10，因为物品e,d这个背包都能装进去。对于承重为9的背包，d9=10,是怎么得出的呢？ 根据01背包的状态转换方程，需要考察两个值， 一个是f[i-1,j],对于这个例子来说就是e9的值6，另一个是f[i-1,j-Wi]+Pi； 在这里， f[i-1,j]表示我有一个承重为9的背包，当只有物品e可选时，这个背包能装入的最大价值 f[i-1,j-Wi]表示我有一个承重为4的背包（等于当前背包承重减去物品d的重量），当只有物品e可选时，这个背包能装入的最大价值 f[i-1,j-Wi]就是指单元格e4值为6，Pi指的是d物品的价值，即4 由于f[i-1,j-Wi]+Pi = 6 + 4 = 10 大于f[i-1,j] = 6，所以物品d应该放入承重为9的背包，所以d9=10. 算法实验报告 ---背包问题 实验目的 1．掌握动态规划算法的基本思想，包括最优子结构性质和基于表格的最优 值计算方法。 2．熟练掌握分阶段的和递推的最优子结构分析方法。 3．学会利用动态规划算法解决实际问题。 问题描述： 给定n种物品和一个背包。物品i的重量是wi，体积是bi，其价值为vi， 背包的容量为c，容积为d。问应如何选择装入背包中的物品，使得装入背包中 物品的总价值最大? 在选择装入背包的物品时，对每种物品只有两个选择：装入 或不装入，且不能重复装入。输入数据的第一行分别为：背包的容量c，背包的 容积d，物品的个数n。接下来的n行表示n个物品的重量、体积和价值。输出 为最大的总价值。 问题分析: 标准0-1背包问题，MaxV表示前i个物品装入容量为j的背包中时所能产生的最大价值，结构体objec表示每一个可装入物品，其中w表示物品的重量，v表示物品的价值。如果某物品超过了背包的容量，则该物品一定不能放入背包，问题就变成了剩余i-1个物品装入容量为j的背包中所能产生的最大价值；如果该物品能装入背包，问题就变成i-1个物品装入容量为j-objec[i].w的背包所能产生的最大价值加上物品i的价值objec[i].v. 复杂性分析 时间复杂度，最好情况下为0，最坏情况下为：（abc） 源程序 #include 南京信息工程大学实验（实习） 报告 实验（实习）名称 0—1背包实验（实习）日期得分指导教师 专业软件工程年级 11 班次姓名学号 一：实验目的 通过运用回溯法的深度优先搜索解决０－１背包问题，掌握运用回溯法解题。二：算法思想 回溯法的基本思想是按深度优先策略，从根节点出发搜索解空间树，算法搜索至解空间的任一点时，先判断该结点是否包含问题的解，如果肯定不包含，则跳过以该结点为根的子树的搜索，逐层向其祖先结点回溯，否则，进入该子树，继续按深度优先进行搜索。 三：算法实现 #include return b; } template P01: 01背包问题 题目 有N件物品和一个容量为V的背包。第i件物品的费用是c[i]，价值是w[i]。求解将哪些物品装入背包可使价值总和最大。 基本思路 这是最基础的背包问题，特点是：每种物品仅有一件，可以选择放或不放。 用子问题定义状态：即f[i][v]表示前i件物品恰放入一个容量为v的背包可以获得的最大价值。则其状态转移方程便是： f[i][v]=max{f[i-1][v],f[i-1][v-c[i]]+w[i]} 这个方程非常重要，基本上所有跟背包相关的问题的方程都是由它衍生出来的。所以有必要将它详细解释一下：“将前i件物品放入容量为v的背包中”这个子问题，若只考虑第i件物品的策略（放或不放），那么就可以转化为一个只牵扯前i-1件物品的问题。如果不放第i件物品，那么问题就转化为“前i-1件物品放入容量为v的背包中”，价值为f[i-1][v]；如果放第i件物品，那么问题就转化为“前i-1件物品放入剩下的容量为v-c[i]的背包中”，此时能获得的最大价值就是f[i-1][v-c[i]]再加上通过放入第i件物品获得的价值w[i]。 优化空间复杂度 以上方法的时间和空间复杂度均为O(VN)，其中时间复杂度应该已经不能再优化了，但空间复杂度却可以优化到O。 先考虑上面讲的基本思路如何实现，肯定是有一个主循环i=1..N，每次算出来二维数组f[i][0..V]的所有值。那么，如果只用一个数组f[0..V]，能不能保证第i次循环结束后f[v]中表示的就是我们定义的状态f[i][v]呢？f[i][v]是由f[i-1][v]和f[i-1][v-c[i]]两个子问题递推而来，能否保证在推f[i][v]时（也即在第i次主循环中推f[v]时）能够得到f[i-1][v]和f[i-1][v-c[i]]的值呢？事实上，这要求在每次主循环中我们以v=V..0的顺序推f[v]，这样才能保证推f[v]时f[v-c[i]]保存的是状态f[i-1][v-c[i]]的值。伪代码如下： for i=1..N for v=V..0 f[v]=max{f[v],f[v-c[i]]+w[i]}; 其中的f[v]=max{f[v],f[v-c[i]]}一句恰就相当于我们的转移方程 f[i][v]=max{f[i-1][v],f[i-1][v-c[i]]}，因为现在的f[v-c[i]]就相当于原来的f[i-1][v-c[i]]。如果将v的循环顺序从上面的逆序改成顺序的话，那么 兰州交通大学数理与软件工程学院 题目0-1背包问题算法实现 院系数理院 专业班级信计09 学生姓名雷雪艳 学号200905130 指导教师李秦 二Ｏ一二年六月五日 一、问题描述： 1、0—1背包问题：给定n 种物品和一个背包，背包最大容量为M ，物 品i 的重量是w i ,其价值是平P i ，问应当如何选择装入背包的物品，似的装入背包的物品的总价值最大？ 背包问题的数学描述如下： 2、要求找到一个n 元向量(x1，x2…xn)，在满足约束条件： ????? ≤≤≤∑1 0i i i x M w x 情况下，使得目标函数 p x i i ∑max ，其中，1≤i ≤n ；M>0； wi>0；pi>0。满足约束条件的任何向量都是一个可行解，而使得目标函数 达到最大的那个可行解则为最优解[1]。 给定n 种物品和1个背包。物品i 的重量是wi ，其价值为pi ，背包的容量为M 。问应如何装入背包中的物品，使得装人背包中物品的总价值最大？在选择装人背包的物品时，对每种物品i 只有两种选择，即装入背包、不装入背包。不能将物品i 装人背包多次，也不能只装入部分的物品i 。该问题称为0-1背包问题。 0-1背包问题的符号化表示是，给定M>0， w i >0， pi >0，1≤i ≤n ，要求找到一个n 元0-1向量向量(x1，x2…xn)， X i =0 或1 , 1≤i ≤n, 使得 M w x i i ≤∑ ，而且 p x i i ∑达到最大[2]。 二、解决方案： 方案一：贪心算法 1、贪心算法的基本原理与分析 贪心算法总是作出在当前看来是最好的选择，即贪心算法并不从整体最优解上加以考虑，它所作出的选择只是在某种意义上的局部最优解。贪心算法不是对所有问题都能得到整体最优解，但对范围相当广的许多问题它能产生整体最优解。在一些情况下，即使贪心算法不能得到整体最优解，但其最终结果却是最优解的很好近似解。 贪心算法求解的问题一般具有两个重要性质：贪心选择性质和最优子结构性质。所谓贪心选择性质是指所求问题的整体最优解可以通过一系列局部最优解的选择，即贪心选择来达到。这是贪心算法可行的第一个基本要素，也是贪心算法与动态规划算法的主要区别。当一个问题的最优解包含其子问题的最优解时，称此问题具有最优子结构性质。问题的最优子结构性质是该问题可用动态规划算法或贪心算法求解的关键特征。 2、0-1背包问题的实现 对于0-1背包问题，设A 是能装入容量为c 的背包的具有最大价值的物品集合，则Aj=A-{j}是n-1个物品1,2,...,j-1,j+1,...,n 可装入容量为c-wj 的背包的具有最大价值的物品集合。 用贪心算法求解0-1背包问题的步骤是，首先计算每种物品单位重量的价值vi/wi ；然后，将物品进行排序，依贪心选择策略，将尽可能多的单位重量价值最高的物品装入背包。若将这种物品全部装入背包后，背包内的物品总量未超过c ，则选择单位重量价值次高的物品并尽可能多地装入背包。 数学与物理科学学院 《算法分析与设计》课程考查论文 题目0-1背包问题研究及算法策略比较分析 专业 班级 学号 姓名 任课教师 完成日期2011/5/24 背包问题是一个在运筹学领域里常见的典型NP-C难题，也是算法设计分析中的经典问题，对该问题的求解方法的研究无论是在理论上,还是在实践中都具有重要意义。对这个问题的求解已经研究出了不少的经典方法，对该问题的探索和应用研究一直在进行。在先进理论指导下，求解0-1背包问题具有科学、高效、经济、灵活、方便等显著特点。 那么要解决背包问题，首要的前提就是设计出好的算法，想求得背包问题的解，就要先设计出算法,本文采用回溯法对背包问题、0-1背包问题及简单0-1背包问题进行算法设计和时间复杂度分析，给出具体算法设计和实现过程。并以具体实例详细描述不同方法求解问题解时算法基本思想，然后就解决0-1背包问题对这四种算法进行详细的比较，总结这种方法实现的优缺点并得出结论。如何将背包问题应用于实际问题中，有针对性地设计适合求解实际0-1背包问题的算法，并很好地解决实际问题，是计算机工作者不断思索、研究的一个领域。 摘要 (2) 一、绪论 (4) 1.1问题的研究及意义 (4) 1.20-1背包问题的算法研究与分析 (4) 1.3课题的主要研究内容 (4) 二、0-1背包问题在动态规划中的实现 (5) 2.1动态规划的基本原理与分析 (5) 2.20-1背包问题的实现 (5) 三、0-1背包问题在分枝-限界法中的实现 (7) 3.1分枝-限界法的基本原理与分析 (7) 3.20-1背包问题的实现 (7) 四、0-1背包问题在遗传算法中的实现 (9) 4.1遗传算法的基本原理与分析 (9) 4.20-1背包问题的实现 (10) 五、0-1背包问题在回溯法中的实现 (11) 5.1回溯法的基本原理与分析 (11) 5.20-1背包问题的实现 (11) 5.30-1背包问题在回溯法中的算法描述 (12) 5.4算法效率 (14) 5.5运行结果 (15) 六、四种算法的比较与分析 (15) 七、附录 (17) 一、实验目的与要求 掌握回溯法、分支限界法的原理，并能够按其原理编程实现解决0-1背包问题，以加深对回溯法、分支限界法的理解。 1．要求分别用回溯法和分支限界法求解0-1背包问题； 2．要求交互输入背包容量，物品重量数组，物品价值数组； 3．要求显示结果。 二、实验方案 在选择装入背包的物品时，对每种物品i只有2种选择，即装入背包或不装入背包。不能将物品i装入背包多次，也不能只装入部分的物品i。 三、实验结果和数据处理 1．用回溯法解决0-1背包问题： 代码： import java.util.*; public class Knapsack { private double[] p,w;//分别代表价值和重量 private int n; private double c,bestp,cp,cw; private int x[]; //记录可选的物品 private int[] cx; public Knapsack (double pp[],double ww[],double cc) { this.p=pp;this.w=ww;this.n=pp.length-1; this.c=cc;this.cp=0;this.cw=0; this.bestp=0; x=new int[ww.length]; cx=new int[pp.length]; } void Knapsack() { backtrack(0); } void backtrack(int i) { if(i>n) { //判断是否到达了叶子节点 if(cp>bestp) { for(int j=0;j 背包问题算法设计 题目描述： 有n个物品，每个物品的重量为w[i]，取物品则效益增加p[i]，对于给定的一个能容纳重量为M的背包，怎样装包才能使获得的效益最大？每个物品的取值为x[i]，x[i]=0/1，0表示该物品不装包，1表示将该物品装入包中。 以上描述就是一个经典的0/1背包问题。 输入输出： 输入一个n，然后输入w[1,2,...,n],p[1,2,...,n] 输出最大效益值和x[1,2,...,n]用0/1表示 sampleinput 3//n 234//w[i] 125//p[i] sampleoutput 6//最大效益值 101//x[i] 解题思路： 假定决策次序为x[n],x[n-1],...,x[1]。在对x[n]做出决策之后，问题处于下列两种状态之一： 背包的剩余容量为M，没有产生任何效益； 剩余容量是M-w，效益增长了p。 显然，余下来的x[n-1],x[n-2],..,x[1]的决策相对于x所产生的问题状态应该是最优的，否则x[n],x[n-1],...,x[1]就不能是最优决策序列。 设f[j][x]是从物品1-j,背包容量为x的最优解 则最优序列的解f[n][m] 对于任意的f[i][x]=max{f[i-1][x],f[i-1][x-wi]+pi}---------------------------（1） 为了能向后递推而最后求出f[n][m],需要从f[0][x]开始。对于所有x>=0，有f[0][x]=0， 当x<0时，有f[0][x]=负无穷。根据（1）马上可解出0<=x 计算机算法设计与分析习 题及答案 Prepared on 24 November 2020 《计算机算法设计与分析》习题及答案 一．选择题 1、二分搜索算法是利用（ A ）实现的算法。 A、分治策略 B、动态规划法 C、贪心法 D、回溯法 2、下列不是动态规划算法基本步骤的是（ A ）。 A、找出最优解的性质 B、构造最优解 C、算出最优解 D、定义最优解 3、最大效益优先是（A ）的一搜索方式。 A、分支界限法 B、动态规划法 C、贪心法 D、回溯法 4. 回溯法解旅行售货员问题时的解空间树是（ A ）。 A、子集树 B、排列树 C、深度优先生成树 D、广度优先生成树 5．下列算法中通常以自底向上的方式求解最优解的是（B ）。 A、备忘录法 B、动态规划法 C、贪心法 D、回溯法 6、衡量一个算法好坏的标准是（ C ）。 A 运行速度快 B 占用空间少 C 时间复杂度低 D 代码短 7、以下不可以使用分治法求解的是（ D ）。 A 棋盘覆盖问题 B 选择问题 C 归并排序 D 0/1背包问题 8. 实现循环赛日程表利用的算法是（A ）。 A、分治策略 B、动态规划法 C、贪心法 D、回溯法 9．下面不是分支界限法搜索方式的是（D ）。 A、广度优先 B、最小耗费优先 C、最大效益优先 D、深度优先 10．下列算法中通常以深度优先方式系统搜索问题解的是（D ）。 A、备忘录法 B、动态规划法 C、贪心法 D、回溯法 11.备忘录方法是那种算法的变形。（ B ） A、分治法 B、动态规划法 C、贪心法 D、回溯法 12．哈夫曼编码的贪心算法所需的计算时间为（B ）。 A、O（n2n） B、O（nlogn） C、O（2n） D、O（n） 13．分支限界法解最大团问题时，活结点表的组织形式是（B ）。 A、最小堆 B、最大堆 C、栈 D、数组 14．最长公共子序列算法利用的算法是（B）。 A、分支界限法 B、动态规划法 C、贪心法 D、回溯法 15．实现棋盘覆盖算法利用的算法是（A ）。 A、分治法 B、动态规划法 C、贪心法 D、回溯法 16.下面是贪心算法的基本要素的是（C ）。 A、重叠子问题 B、构造最优解 C、贪心选择性质 D、定义最优解 17.回溯法的效率不依赖于下列哪些因素（ D ） A.满足显约束的值的个数 B. 计算约束函数的时间 C.计算限界函数的时间 D. 确定解空间的时间 18.下面哪种函数是回溯法中为避免无效搜索采取的策略（B ） A．递归函数 B.剪枝函数 C。随机数函数 D.搜索函数 19. （D）是贪心算法与动态规划算法的共同点。 实验五：贪心算法求解背包问题 实验内容 应用贪心算法求解离散背包问题，分析时间复杂度。 有一个承重为W的背包和n个物品，它们各自的重量和价值分别是wi和vi（1<=i<=n），设求这些物品中最有价值的一个子集。如果每次选择某一个物品的时候，只能全部拿走，则这一问题称为离散（0-1）背包问题；如果每次可以拿走某一物品的任意一部分，则这一问题称为连续背包问题。 算法思想 ?动态规划的思想： –对较小的子问题进行一次求解，并把结果记录下来，然后利用较小问题的解，求解出较大问题的解，直到求解出最大问题的解。 – 引进一个二维数组ch[MAX][MAX]，用ch[i][j]记录CH1与CH2的LCS 的长度，b[i][j]记录ch[i][j]是通过哪一个子问题的值求得的，以决定搜索的方向。 我们是自底向上进行递推计算，那么在计算ch[i,j]之前，ch[i-1][j-1]， ch[i-1][j]与ch[i][j-1]均已计算出来。此时我们根据CH1 [i] = CH2[j]还是CH1[i] != CH2[j]，就可以计算出ch[i][j]。 算法 length(string CH1,string CH2,int b[MAX][MAX]) //用于构建动态数组 //输入：两字符窜 //输出：最长公共子序列 for(i=1;i<=ch1Len;i++)//二重循环求解 for(int j=1;j<=ch2Len;j++) { if(CH1[i-1]==CH2[j-1])//相等字符 { ch[i][j]=ch[i-1][j-1]+1; b[i][j]=0; } else if(ch[i-1][j]>=ch[i][j-1])//上比较大 { ch[i][j]=ch[i-1][j]; b[i][j]=1; } else//左比较大 { ch[i][j]=ch[i][j-1]; b[i][j]=-1; } } printCS(int b[MAX][MAX],string x,int i,int j) //回溯求出最长子序列输出 //输入：标记数组 //输出：最长子序列 if(i == 0 || j == 0)//边界，返回 return; if(b[i][j] == 0) { printCS(b, x, i-1, j-1);//左上 cout< 算法设计与分析的复习要点 第一章：算法问题求解基础 算法是对特定问题求解步骤的一种描述，它是指令的有限序列。 一．算法的五个特征： 1．输入：算法有零个或多个输入量； 2．输出：算法至少产生一个输出量； 3．确定性：算法的每一条指令都有确切的定义，没有二义性； 4．可行性：算法的每一条指令必须足够基本，它们可以通过已经实现的基本运算执行有限次来实现； 5．有穷性：算法必须总能在执行有限步之后终止。 二．什么是算法？程序与算法的区别 1．笼统地说，算法是求解一类问题的任意一种特殊的方法；较严格地说，算法是对特定问题求解步骤的一种描述，它是指令的有限序列。 2．程序是算法用某种程序设计语言的具体实现；算法必须可终止，程序却没有这一限制；即：程序可以不满足算法的第5个性质“有穷性”。 三．一个问题求解过程包括：理解问题、设计方案、实现方案、回顾复查。 四．系统生命周期或软件生命周期分为： 开发期：分析、设计、编码、测试；运行期：维护。 五．算法描述方法：自然语言、流程图、伪代码、程序设计语言等。 六．算法分析：是指对算法的执行时间和所需空间的估算。算法的效率通过算法分析来确定。 七．递归定义：是一种直接或间接引用自身的定义方法。一个合法的递归定义包括两部分：基础情况和递归部分； 基础情况：以直接形式明确列举新事物的若干简单对象； 递归部分：有简单或较简单对象定义新对象的条件和方法 八．常见的程序正确性证明方法： 1.归纳法：由基础情况和归纳步骤组成。归纳法是证明递归算法正确性和进行算法分析的强有力工具； 2.反证法。 第二章：算法分析基础 一．会计算程序步的执行次数（如书中例题程序2-1,2-2,2-3的总程序步数的计算）。二．会证明5个渐近记法。（如书中P22-25例2-1至例2-9） 三．会计算递推式的显式。（迭代法、代换法，主方法） 四．会用主定理求T(n)=aT(n/b)+f(n)。（主定理见P29，如例2-15至例2-18）五．一个好的算法应具备的4个重要特征： 1.正确性：算法的执行结果应当满足预先规定的功能和性能要求； 2.简明性：算法应思路清晰、层次分明、容易理解、利于编码和调试； 3.效率：算法应有效使用存储空间，并具有高的时间效率； 4.最优性：算法的执行时间已达到求解该类问题所需时间的下界。 六．影响程序运行时间的主要因素： 1.程序所依赖的算法； 2.问题规模和输入数据规模； 3.计算机系统性能。 七．1.算法的时间复杂度：是指算法运行所需的时间； 算法分析与设计实验报告 第 4 次实验 } 附录：完整代码 #include 算法设计与分析大作业 班级：电子154 姓名：吴志勇 学号： 1049731503279 任课老师：李瑞芳 日期： 2015.12.25 算法设计与分析课程论文 0-1背包问题的算法设计策略对比与分析 0 引言 对于计算机科学来说，算法的概念是至关重要的。在一个大型软件系统的开发中，设计出有效的算法将起到决定性的作用。通俗的讲，算法是解决问题的一种方法。也因此，《算法分析与设计》成为计算科学的核心问题之一，也是计算机科学与技术专业本科及研究生的一门重要的专业基础课。算法分析与设计是计算机软件开发人员必修课，软件的效率和稳定性取决于软件中所采用的算法；对于一般程序员和计算机专业学生，学习算法设计与分析课程，可以开阔编程思路，编写出优质程序。通过老师的解析，培养我们怎样分析算法的“好”于“坏”，怎样设计算法，并以广泛用于计算机科学中的算法为例，对种类不同难度的算法设计进行系统的介绍与比较。本课程将培养学生严格的设计与分析算法的思维方式，改变随意拼凑算法的习惯。本课程要求具备离散数学、程序设计语言、数据结构等先行课课程的知识。 1 算法复杂性分析的方法介绍 算法复杂性的高低体现在运行该算法所需要的计算机资源的多少上，所需的资源越多，该算法的复杂性越高；反之，所需资源越少，该算法的复杂性越低。对计算机资源，最重要的是时间与空间（即存储器）资源。因此，算法的复杂性有时间复杂性T(n)与空间复杂性S(n)之分。 算法复杂性是算法运行所需要的计算机资源的量，这个量应集中反映算法的效率，并从运行该算法的实际计算机中抽象出来，换句话说，这个量应该只依赖要解决的问题规模‘算法的输入和算法本身的函数。用C表示复杂性，N,I和A表示问题的规模、算法的输入和算法本身规模，则有如下表达式： C=F(N,I,A) T=F(N，I,A) S=F(N，I,A) 其中F(N,I,A)是一个三元函数。通常A隐含在复杂性函数名当中，因此表达式中一般不写A。 即：C=F(N,I) T=F(N,I) S=F(N,I) 算法复杂性中时间与空间复杂性算法相似，所以以下算法复杂性主要以时间复杂性为例： 算法的时间复杂性一般分为三种情况：最坏情况、最好情况和平均情况。下面描述算法复杂性时都是用的简化的复杂性算法分析，引入了渐近意义的记号O,Ω，θ，和o。 O表示渐近上界Ω表示渐近下界： θ表示同阶即：f(n)= O(g(n))且 f(n)= Ω（g(n)） 2 常见的算法分析设计策略介绍 2.1 递归与分治策略 分治法的设计思想是，将一个难以直接解决的大问题，分割成一些规模较小的相同问题，以便各个击破，分而治之。 直接或间接地调用自身的算法称为递归算法。用函数自身给出定义的函数称为递归函数。 由分治法产生的子问题往往是原问题的较小模式，这就为使用递归技术提供了方便。在这种情况下，反复应用分治手段，可以使子问题与原问题类型一致而其规模却不断缩小，最终使子问题缩小到很容易直接求出其解。这自然导致递归过程的产生。 分治与递归像一对孪生兄弟，经常同时应用在算法设计之中，并由此产生许多高效算法。 递归算法举例： 共11页第1页 实验报告 课程名称：算法设计与分析实验名称：解0-1背包问题任课教师：王锦彪专业：计算机应用技术班级: 2011 学号： 112015 姓名：严焱心完成日期： 2011年11月 一、实验目的： 掌握动态规划、贪心算法、回溯法、分支限界法的原理，并能够按其原理编程实现解决0-1背包问题，以加深对上述方法的理解。 二、实验内容及要求： 1． 要求分别用动态规划、贪心算法、回溯法和分支限界法求解0-1背包问题； 2． 要求显示结果。 三、实验环境和工具： 操作系统：Windows7 开发工具：Eclipse3.7.1 jdk6 开发语言：Java 四、实验问题描述： 0/1背包问题:现有n 种物品，对1<=i<=n ，第i 种物品的重量为正整数W i ，价值为正整数V i ，背包能承受的最大载重量为正整数C ，现要求找出这n 种物品的一个子集，使得子集中物品的总重量不超过C 且总价值尽量大。 动态规划算法描述:根据问题描述，可以将其转化为如下的约束条件和目标函数： ?????≤≤∈≤∑∑==)1}(1,0{C max 1 1 n i x x w x v i n i i i n i i i 寻找一个满足约束条件，并使目标函数式达到最大的解向量 ) ,......,,,(321n x x x x X =，使得C 1 ∑=≤n i i i x w ，而且∑=n i i i x v 1 达到最大。 0-1背包问题具有最优子结构性质。假设),......,,,(321n x x x x 是所给的问题的一个最优解，则),......,,(32n x x x 是下面问题的一个最优解： ∑∑==?????≤≤∈-≤n i i i i n i i i x v n i x x w x w 2 2 1 1max )2}(1,0{C 。 如果不是的话，设) ,......,,(32 n y y y 是这个问题的一个最优解，则∑∑==>n i n i i i i i x v y v 2 2 ，且∑=≤+ n i i i y w x w 2 1 1C 。 因此，∑∑∑==== + >+n i i i n i n i i i i i x v x v x v y v x v 1 2 2 1111， 这说明) ,........,,,(32 1 n y y y x 是所给 的0-1背包问题比),........,,,(321n x x x x 更优的解，从而与假设矛盾。 按照上面的情况，可以得到递推公式：设最优值为m(i,j)。 ?? ?+-+++=}),1(),,1(max{) ,1(),(i i v w j i m j i m j i m j i m i i w w ≥<≤j j 0 ?? ?=n v j n m 0),(i i w w ≥<≤j j 0 贪心算法描述:计算每种物品单位重量的价值；将尽可能多的单位重量价值最高的物品装入背包；如果单位重量价值最高的物品全部装入背包后，背包的总重量小于c ，则选择单位重量次高的物品并尽可能多的装入背包；依次进行下去，直到背包装满为止。 回溯算法描述：回溯法从根结点出发，以深度优先的方式搜索整个解空间。开始结点成为一个活结点，同时也成为当前的扩展结点。在当前的扩展结点处，搜索向纵深方向移至一个新结点。新结点就成为一个新的活结点，并成为当前扩展结点。如果在当前的扩 基于遗传算法的0-1背包问题的求解 摘要： 一、前言 组合优化问题的求解方法研究已经成为了当前众多科学关注的焦点，这不仅在于其内在的复杂性有着重要的理论价值，同时也在于它们能在现实生活中广泛的应用。比如资源分配、投资决策、装载设计、公交车调度等一系列的问题都可以归结到组合优化问题中来。但是，往往由于问题的计算量远远超出了计算机在有效时间内的计算能力，使问题的求解变为异常的困难。尤其对于NP 完全问题，如何求解其最优解或是近似最优解便成为科学的焦点之一。 遗传算法已经成为组合优化问题的近似最优解的一把钥匙。它是一种模拟生物进化过程的计算模型，作为一种新的全局优化搜索算法，它以其简单、鲁棒性强、适应并行处理以及应用范围广等特点，奠定了作为21世纪关键智能计算的地位。 背包问题是一个典型的组合优化问题，在计算理论中属于NP-完全问题， 其 计算复杂度为 )2(O n ，传统上采用动态规划来求解。设w[i]是经营活动 i 所需要的资源消耗，M 是所能提供的资源总量，p[i]是人们经营活动i 得到的利润或收益，则背包问题就是在资源有限的条件下， 追求总的最大收益的资源有效分配问题。 二、问题描述 背包问题( Knapsack Problem)的一般提法是：已知n 个物品的重量（weight ）及其价值（或收益profit ）分别为0>i w 和0>i p ，背包的容量（contain ）假设设为0>i c ，如何选择哪些物品装入背包可以使得在背包的容量约束限制之内 所装物品的价值最大？ 该问题的模型可以表示为下述0/1整数规划模型： 目标函数：∑==n i i i n x c x x x f 1 21),,(max Λ ????? =∈≤∑=) ,2,1(}1,0{t .s 1n i x p x w i n i i i i Λ （*） 背包问题九讲2.0RC1 崔添翼(Tianyi Cui)* 2011-09-28? 本文题为《背包问题九讲》，从属于《动态规划的思考艺术》系列。 这系列文章的第一版于2007年下半年使用EmacsMuse制作，以HTML格式发布到网上，转载众多，有一定影响力。 2011年9月，本系列文章由原作者用L A T E X重新制作并全面修订，您现在看到的是2.0alpha版本，修订历史及最新版本请访问https://https://www.sodocs.net/doc/d211664202.html,/tianyicui/pack查阅。 本文版权归原作者所有，采用CC BY-NC-SA协议发布。 Contents 101背包问题3 1.1题目 (3) 1.2基本思路 (3) 1.3优化空间复杂度 (3) 1.4初始化的细节问题 (4) 1.5一个常数优化 (4) 1.6小结 (5) 2完全背包问题5 2.1题目 (5) 2.2基本思路 (5) 2.3一个简单有效的优化 (5) 2.4转化为01背包问题求解 (6) 2.5O(V N)的算法 (6) 2.6小结 (7) 3多重背包问题7 3.1题目 (7) 3.2基本算法 (7) 3.3转化为01背包问题 (7) 3.4可行性问题O(V N)的算法 (8) *a.k.a.dd_engi ?Build20110928183800 1 3.5小结 (9) 4混合三种背包问题9 4.1问题 (9) 4.201背包与完全背包的混合 (9) 4.3再加上多重背包 (9) 4.4小结 (10) 5二维费用的背包问题10 5.1问题 (10) 5.2算法 (10) 5.3物品总个数的限制 (10) 5.4二维整数域N2上的背包问题 (11) 5.5小结 (11) 6分组的背包问题11 6.1问题 (11) 6.2算法 (11) 6.3小结 (12) 7有依赖的背包问题12 7.1简化的问题 (12) 7.2算法 (12) 7.3较一般的问题 (12) 7.4小结 (13) 8泛化物品13 8.1定义 (13) 8.2泛化物品的和 (13) 8.3背包问题的泛化物品 (14) 8.4小结 (14) 9背包问题问法的变化14 9.1输出方案 (15) 9.2输出字典序最小的最优方案 (15) 9.3求方案总数 (15) 9.4最优方案的总数 (16) 9.5求次优解、第K优解 (16) 9.6小结 (17) 201背包问题不同算法设计、分析与对比报告
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