第二講 完全揹包問題

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題目

有N種物品和一個容量爲V的揹包,每種物品都有無限件可用。第i種物品的費用是c[i],價值是w[i]。求解將哪些物品裝入揹包可使這些物品的費用總和不超過揹包容量,且價值總和最大。

基本思路

這個問題非常類似於01揹包問題,所不同的是每種物品有無限件。也就是從每種物品的角度考慮,與它相關的策略已並非取或不取兩種,而是有取0件、取1件、取2件……等很多種。如果仍然按照解01揹包時的思路,令f[i][v]表示前i種物品恰放入一個容量爲v的揹包的最大權值。仍然可以按照每種物品不同的策略寫出狀態轉移方程,像這樣:

f[i][v]=max{f[i-1][v-k*c[i]]+k*w[i]|0<=k*c[i]<=v}

這跟01揹包問題一樣有O(VN)個狀態需要求解,但求解每個狀態的時間已經不是常數了,求解狀態f[i][v]的時間是O(v/c[i]),總的複雜度可以認爲是O(V*Σ(V/c[i])),是比較大的。

將01揹包問題的基本思路加以改進,得到了這樣一個清晰的方法。這說明01揹包問題的方程的確是很重要,可以推及其它類型的揹包問題。但我們還是試圖改進這個複雜度。

一個簡單有效的優化

完全揹包問題有一個很簡單有效的優化,是這樣的:若兩件物品i、j滿足c[i]=w[j],則將物品j去掉,不用考慮。這個優化的正確性顯然:任何情況下都可將價值小費用高得j換成物美價廉的i,得到至少不會更差的方案。對於隨機生成的數據,這個方法往往會大大減少物品的件數,從而加快速度。然而這個並不能改善最壞情況的複雜度,因爲有可能特別設計的數據可以一件物品也去不掉。

這個優化可以簡單的O(N^2)地實現,一般都可以承受。另外,針對揹包問題而言,比較不錯的一種方法是:首先將費用大於V的物品去掉,然後使用類似計數排序的做法,計算出費用相同的物品中價值最高的是哪個,可以O(V+N)地完成這個優化。這個不太重要的過程就不給出僞代碼了,希望你能獨立思考寫出僞代碼或程序。

轉化爲01揹包問題求解

既然01揹包問題是最基本的揹包問題,那麼我們可以考慮把完全揹包問題轉化爲01揹包問題來解。最簡單的想法是,考慮到第i種物品最多選V/c[i]件,於是可以把第i種物品轉化爲V/c[i]件費用及價值均不變的物品,然後求解這個01揹包問題。這樣完全沒有改進基本思路的時間複雜度,但這畢竟給了我們將完全揹包問題轉化爲01揹包問題的思路:將一種物品拆成多件物品。

更高效的轉化方法是:把第i種物品拆成費用爲c[i]*2^k、價值爲w[i]*2^k的若干件物品,其中k滿足c[i]*2^k<=V。這是二進制的思想,因爲不管最優策略選幾件第i種物品,總可以表示成若干個2^k件物品的和。這樣把每種物品拆成O(log V/c[i])件物品,是一個很大的改進。

但我們有更優的O(VN)的算法。

O(VN)的算法

這個算法使用一維數組,先看僞代碼:


 

你會發現,這個僞代碼與P01的僞代碼只有v的循環次序不同而已。爲什麼這樣一改就可行呢?首先想想爲什麼P01中要按照v=V..0的逆序來循環。這是因爲要保證第i次循環中的狀態f[i][v]是由狀態f[i-1][v-c[i]]遞推而來。換句話說,這正是爲了保證每件物品只選一次,保證在考慮“選入第i件物品”這件策略時,依據的是一個絕無已經選入第i件物品的子結果f[i-1][v-c[i]]。而現在完全揹包的特點恰是每種物品可選無限件,所以在考慮“加選一件第i種物品”這種策略時,卻正需要一個可能已選入第i種物品的子結果f[i][v-c[i]],所以就可以並且必須採用v=0..V的順序循環。這就是這個簡單的程序爲何成立的道理。

值得一提的是,上面的僞代碼中兩層for循環的次序可以顛倒。這個結論有可能會帶來算法時間常數上的優化。

這個算法也可以以另外的思路得出。例如,將基本思路中求解f[i][v-c[i]]的狀態轉移方程顯式地寫出來,代入原方程中,會發現該方程可以等價地變形成這種形式:

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

將這個方程用一維數組實現,便得到了上面的僞代碼。

最後抽象出處理一件完全揹包類物品的過程僞代碼:


 

總結

完全揹包問題也是一個相當基礎的揹包問題,它有兩個狀態轉移方程,分別在“基本思路”以及“O(VN)的算法“的小節中給出。希望你能夠對這兩個狀態轉移方程都仔細地體會,不僅記住,也要弄明白它們是怎麼得出來的,最好能夠自己想一種得到這些方程的方法。事實上,對每一道動態規劃題目都思考其方程的意義以及如何得來,是加深對動態規劃的理解、提高動態規劃功力的好方法。

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Copyright (c) 2007 Tianyi Cui

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