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動態規劃和貪心演算法之揹包問題理解

一.揹包問題

引用書上關於0-1揹包和部分揹包的闡述:
這裡寫圖片描述
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二.貪心與動態規劃區別

關於紅色矩形部分解釋為什麼0-1不能使用貪心演算法,是因為當你選擇一個物品時,整個物品的大小都需要計算,然而揹包的的大小又是固定的,那麼剩下的揹包大小與剩下的物品之間就有個容納問題。就像圖b第二個樹狀圖屬於容量20,而剩餘物品大小30,顯然放不下,所以說選擇放與不放會影響後放物體能否儘可能填滿揹包。這個與部分揹包問題不同,部分揹包問題,只要選擇從價值高到低放就能夠鐵定填滿,它的填放會影響價值,但是不會影響揹包能否填滿。
可以把0-1揹包想成往一個杯子裡放幾種固定大小鐵塊(但是沒有極其小可以用來填補空缺的)。
可以把部分揹包想成往一個杯子裡放粉末。先放石子,再放沙,最後水。

三.0-1揹包動態規劃問題

部分揹包很好理解,接下來說一說關於0-1揹包問題。在參考別人答案後,我想了好多關於遇到這種問題,我們該以何種順序,如果抓住問題解題關鍵點。

例子:5個物品,(重量w,價值v)分別為:(5,12),(4,3),(7,10),(2,3),(6,6)。

1、假設問題答案
  我們共有5個物品,答案可以是(1表示取,0表示棄):00011或者10101或者11000等等。不過不要用1,2,3,4,5代表物品,再用15或者123或者345表示答案。你會發現如果你只考慮取的部分不考慮棄的部分 ,問題答案位數一直不是固定的,增加難度。
2、假設最優答案
  我們假設最優答案為00011。這樣根據動態規劃要求,考慮最優子問題。一般考慮子問題都是減少問題包含元素數量,同時保持子問題與原問題屬於同種問題,只是考慮數量減少了。比如我們減少第五個揹包。那我們的問題變成了什麼?這裡考慮極其特殊情況,除去的是最後一個物品。

例子:4個物品,(重量w,價值v)分別為:(5,12),(4,3),(7,10),(2,3)。

3、找到原問題與子問題之間聯絡
  當00011為原問題最優解,那麼0001為子問題最優解。為啥?如果0001不是子問題最優解,假設0101為子問題最優解,那原問題最優解就是01011或者01010。與我們假設相悖。
  那麼從子問題到原問題要經過什麼樣考慮?我們現在已經找到子問題最優解,到原問題解我們只需考慮第五個物品是取還是棄?如果取,那麼取以後揹包空餘量減少,揹包價值增大;如果棄,揹包價值也會變化,因為此時我們揹包容量變大了,那麼我們先前的取法就有可能需要改變。所以我們需要在這裡進行判斷。
  如果一個問題的最優解包含了物品n,即物(n)=1,那麼其餘物1,物2,…,物(n-1)一定構成子問題1,2,…,n-1在揹包容量W-w(n)時的最優解。如果這個最優解不包含物品n,即物n=0,那麼其餘物1,物2,…,物(n-1)一定構成子問題1,2,…,n-1在揹包容量W時的最優解。
4、迭代公式的建立


  首先我們需要考慮是什麼可以讓我們把問題拆分成子問題?在矩陣鏈中我們是根據矩陣鏈中擁有的矩陣A個數來拆分的。通過縮小矩陣個數變成子問題。那麼在0-1揹包中是否也可以減少個數呢?答案是不一定。假設我們現在考慮選取兩個物品,我們是可以直接選擇兩個價值和最大物品。但是還有一個因素:重量和問題。在重量和不等情況下認為價值和最大的兩個物品總價值最大。顯然這是不公平的。所以這裡我們需要考慮兩個因素:一個是物品數量,另一個是揹包容量
  再考慮一下我們問題的變數有哪些?這個地方考慮的只是變數變化的一個相對關係。
  揹包物品i   揹包當前擁有價值tab   揹包當前重量j
0        0           0
1        12          5
2        12+3=15       5+4=9
……
可以看到我們新增一個物品,揹包價值增加,揹包重量增加。
根據步驟3中我們可以發現:
 tab(i+1) = max( tab(i) + v(i+1) , tab(i) )
 j(i+1) = j(i) + w(i+1) 或者 j(i) 此處變化跟上一個公式對應。
目前的話我們有兩個變化公式,在迭代中我們將其轉化成一個:

tab[i][j] = max(tab[i-1][j-weight[i]]+value[i],tab[i-1][j]) ({i,j|0< i <=n,0<= j <=total})

5、例題解析過程
  到第4步,我們已經完成問題的思考,接下來看一下,例題的思考過程,加深理解。
這裡寫圖片描述
  看圖片中表格第一行,我們就是通過控制揹包容量來控制子問題大小。隨著揹包容量增加,能夠容納更多物品,逐漸擴大,最後直至達到問題揹包容量。
  當i=1時,只能選一個1物品,看1物品行(表中第六行),隨著揹包容量增大,揹包可以放得下1物品
  當i=2時,可以選1物品和2物品,當揹包容量增大至4時,此時我們可以選擇2物品價值為3;繼續增大揹包容量,當揹包容量增大至5時,我們可以不放2物品放1物品,價值為12;當揹包容量為9時,1物品2物品都可以放得下,兩個都放,價值15。
  。。。。。。
  看下迭代公式:
  tab[i][j] = max(tab[i-1][j-weight[i]]+value[i],tab[i-1][j]) ({i,j|0< i <=n,0<= j <=total})
  當決定是否放入i時,我們需要考慮兩種子問題。
  一:如果放入,那我們考慮在物品數為i-1, 揹包容量為j-weight[i]時的價值
  二:如果不放入,物品數為i-1, 重量為j時的價值
  哪一個大,選擇哪一個。