第一講 01揹包問題

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題目

有N件物品和一個容量爲V的揹包。第i件物品的費用是c[i],價值是w[i]。求解將哪些物品裝入揹包可使價值總和最大。

基本思路

這是最基礎的揹包問題,特點是:每種物品僅有一件,可以選擇放或不放。

用子問題定義狀態:即f[i][v]表示前i件物品恰放入一個容量爲v的揹包可以獲得的最大價值。則其狀態轉移方程便是:

f[i][v]=max{f[i-1][v],f[i-1][v-c[i]]+w[i]}

這個方程非常重要,基本上所有跟揹包相關的問題的方程都是由它衍生出來的。所以有必要將它詳細解釋一下:“將前i件物品放入容量爲v的揹包中”這個子問題,若只考慮第i件物品的策略(放或不放),那麼就可以轉化爲一個只牽扯前i-1件物品的問題。如果不放第i件物品,那麼問題就轉化爲“前i-1件物品放入容量爲v的揹包中”,價值爲f[i-1][v];如果放第i件物品,那麼問題就轉化爲“前i-1件物品放入剩下的容量爲v-c[i]的揹包中”,此時能獲得的最大價值就是f[i-1][v-c[i]]再加上通過放入第i件物品獲得的價值w[i]。

優化空間複雜度

以上方法的時間和空間複雜度均爲O(VN),其中時間複雜度應該已經不能再優化了,但空間複雜度卻可以優化到O。

先考慮上面講的基本思路如何實現,肯定是有一個主循環i=1..N,每次算出來二維數組f[i][0..V]的所有值。那麼,如果只用一個數組f[0..V],能不能保證第i次循環結束後f[v]中表示的就是我們定義的狀態f[i][v]呢?f[i][v]是由f[i-1][v]和f[i-1][v-c[i]]兩個子問題遞推而來,能否保證在推f[i][v]時(也即在第i次主循環中推f[v]時)能夠得到f[i-1][v]和f[i-1][v-c[i]]的值呢?事實上,這要求在每次主循環中我們以v=V..0的順序推f[v],這樣才能保證推f[v]時f[v-c[i]]保存的是狀態f[i-1][v-c[i]]的值。僞代碼如下:


 

其中的f[v]=max{f[v],f[v-c[i]]}一句恰就相當於我們的轉移方程f[i][v]=max{f[i-1][v],f[i-1][v-c[i]]},因爲現在的f[v-c[i]]就相當於原來的f[i-1][v-c[i]]。如果將v的循環順序從上面的逆序改成順序的話,那麼則成了f[i][v]由f[i][v-c[i]]推知,與本題意不符,但它卻是另一個重要的揹包問題P02最簡捷的解決方案,故學習只用一維數組解01揹包問題是十分必要的。

事實上,使用一維數組解01揹包的程序在後面會被多次用到,所以這裏抽象出一個處理一件01揹包中的物品過程,以後的代碼中直接調用不加說明。

過程ZeroOnePack,表示處理一件01揹包中的物品,兩個參數cost、weight分別表明這件物品的費用和價值。


 

注意這個過程裏的處理與前面給出的僞代碼有所不同。前面的示例程序寫成v=V..0是爲了在程序中體現每個狀態都按照方程求解了,避免不必要的思維複雜度。而這裏既然已經抽象成看作黑箱的過程了,就可以加入優化。費用爲cost的物品不會影響狀態f[0..cost-1],這是顯然的。

有了這個過程以後,01揹包問題的僞代碼就可以這樣寫:


 

初始化的細節問題

我們看到的求最優解的揹包問題題目中,事實上有兩種不太相同的問法。有的題目要求“恰好裝滿揹包”時的最優解,有的題目則並沒有要求必須把揹包裝滿。一種區別這兩種問法的實現方法是在初始化的時候有所不同。

如果是第一種問法,要求恰好裝滿揹包,那麼在初始化時除了f[0]爲0其它f[1..V]均設爲-∞,這樣就可以保證最終得到的f[N]是一種恰好裝滿揹包的最優解。

如果並沒有要求必須把揹包裝滿,而是隻希望價格儘量大,初始化時應該將f[0..V]全部設爲0。

爲什麼呢?可以這樣理解:初始化的f數組事實上就是在沒有任何物品可以放入揹包時的合法狀態。如果要求揹包恰好裝滿,那麼此時只有容量爲0的揹包可能被價值爲0的nothing“恰好裝滿”,其它容量的揹包均沒有合法的解,屬於未定義的狀態,它們的值就都應該是-∞了。如果揹包並非必須被裝滿,那麼任何容量的揹包都有一個合法解“什麼都不裝”,這個解的價值爲0,所以初始時狀態的值也就全部爲0了。

這個小技巧完全可以推廣到其它類型的揹包問題,後面也就不再對進行狀態轉移之前的初始化進行講解。

一個常數優化

前面的僞代碼中有 for v=V..1,可以將這個循環的下限進行改進。

由於只需要最後f[v]的值,倒推前一個物品,其實只要知道f[v-w[n]]即可。以此類推,對以第j個揹包,其實只需要知道到f[v-sum{w[j..n]}]即可,即代碼中的


 

可以改成


 

這對於V比較大時是有用的。

小結

01揹包問題是最基本的揹包問題,它包含了揹包問題中設計狀態、方程的最基本思想,另外,別的類型的揹包問題往往也可以轉換成01揹包問題求解。故一定要仔細體會上面基本思路的得出方法,狀態轉移方程的意義,以及最後怎樣優化的空間複雜度。

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Copyright (c) 2007 Tianyi Cui

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