【动态规划】多重背包问题

说明

前面已经介绍完了01背包和完全背包,今天介绍最后一种背包问题——多重背包。

这个背包,听起来就很麻烦的样子。别慌,只要你理解了前面的两种背包问题,拿下多重背包简直小菜一碟。

如果没有看过前两篇01背包和完全背包的文章,强烈建议先阅读一下,因为本文跟前两篇文章关联性很强。

多重背包

有N种物品和一个容量为T的背包,第i种物品最多有M[i]件可用,价值为P[i],体积为V[i],求解:选哪些物品放入背包,可以使得这些物品的价值最大,并且体积总和不超过背包容量。

对比一下完全背包,其实只是多了一个限制条件,完全背包问题中,物品可以选择任意多件,只要你装得下,装多少件都行。

【动态规划】多重背包问题

但多重背包就不一样了,每种物品都有指定的数量限制,所以不是你想装,就能一直装的。

举个栗子:有A、B、C三种物品,相应的数量、价格和占用空间如下图:

【动态规划】多重背包问题

跟完全背包一样,贪心算法在这里也不适用,我就不重复说明了,大家可以回到上一篇中看看说明。

递归法

还是用之前的套路,我们先来用递归把这个问题解决一次。

用ks(i,t)表示前i种物品放入一个容量为t的背包获得的最大价值,那么对于第i种物品,我们有k种选择,0 <= k <= M[i] && 0 <= k * V[i] <= t,即可以选择0、1、2...M[i]个第i种物品,所以递推表达式为:

ks(i,t) = max{ks(i-1, t - V[i] * k) + P[i] * k}; (0 <= k <= M[i] && 0 <= k * V[i] <= t)

同时,ks(0,t)=0;ks(i,0)=0;

对比一下完全背包的递推关系式:

ks(i,t) = max{ks(i-1, t - V[i] * k) + P[i] * k}; (0 <= k * V[i] <= t)

简直一毛一样,只是k多了一个限制条件而已。

使用上面的栗子,我们可以先写出递归解法:

public static class MultiKnapsack {
    private static int[] P={0,2,3,4};
    private static int[] V={0,3,4,5};
    private static int[] M={0,4,3,2};
    private static int T = 15;

    @Test
    public void soleve1() {
        int result = ks(P.length - 1,T);
        System.out.println("最大价值为:" + result);
    }

    private int ks(int i, int t){
        int result = 0;
        if (i == 0 || t == 0){
            // 初始条件
            result = 0;
        } else if(V[i] > t){
            // 装不下该珠宝
            result = ks(i-1, t);
        } else {
            // 可以装下
            // 取k个物品i,取其中使得总价值最大的k
            for (int k = 0; k <= M[i] && k * V[i] <= t; k++){
                int tmp2 = ks(i-1, t - V[i] * k) + P[i] * k;
                if (tmp2 > result){
                    result = tmp2;
                }
            }
        }
        return result;
    }
}

同样,这里的数组P/V/M分别添加了一个元素0,是为了减少越界判断而做的简单处理,运行如下:

最大价值为:11

对比一下完全背包中的递归解法:

private int ks(int i, int t){
    int result = 0;
    if (i == 0 || t == 0){
        // 初始条件
        result = 0;
    } else if(V[i] > t){
        // 装不下该珠宝
        result = ks(i-1, t);
    } else {
        // 可以装下
        // 取k个物品i,取其中使得总价值最大的k
        for (int k = 0; k * V[i] <= t; k++){
            int tmp2 = ks(i-1, t - V[i] * k) + P[i] * k;
            if (tmp2 > result){
                result = tmp2;
            }
        }
    }
    return result;
}

仅仅多了一个判断条件而已,所以只要弄懂了完全背包,多重背包就不值一提了。

最优化原理和无后效性的证明跟多重背包基本一致,所以就不重复证明了。

动态规划

参考完全背包的动态规划解法,就很容易写出多重背包的动态规划解法。

自上而下记忆法

ks(i,t) = max{ks(i-1, t - V[i] * k) + P[i] * k}; (0 <= k <= M[i] && 0 <= k * V[i] <= t)
public static class MultiKnapsack {
    private static int[] P={0,2,3,4};
    private static int[] V={0,3,4,5};
    private static int[] M={0,4,3,2};
    private static int T = 15;

    private Integer[][] results = new Integer[P.length + 1][T + 1];

    @Test
    public void solve2() {
        int result = ks2(P.length - 1,T);
        System.out.println("最大价值为:" + result);
    }

    private int ks2(int i, int t){
        // 如果该结果已经被计算,那么直接返回
        if (results[i][t] != null) return results[i][t];
        int result = 0;
        if (i == 0 || t == 0){
            // 初始条件
            result = 0;
        } else if(V[i] > t){
            // 装不下该珠宝
            result = ks2(i-1, t);
        } else {
            // 可以装下
            // 取k个物品,取其中使得价值最大的
            for (int k = 0; k <= M[i] && k * V[i] <= t; k++){
                int tmp2 = ks2(i-1, t - V[i] * k) + P[i] * k;
                if (tmp2 > result){
                    result = tmp2;
                }
            }
        }
        results[i][t] = result;
        return result;
    }
}

这里其实只是照葫芦画瓢。

自下而上填表法

同样也可以使用填表法来解决,此时需要将数组P、V、M额外添加的元素0去掉。

除了k的限制不一样之外,其他地方跟完全背包的解法完全一致:

public static class MultiKnapsack {
    private static int[] P={2,3,4};
    private static int[] V={3,4,5};
    private static int[] M={4,3,2};
    private static int T = 15;

    private int[][] dp = new int[P.length + 1][T + 1];

    @Test
    public void solve3() {
        for (int i = 0; i < P.length; i++){
            for (int j = 0; j <= T; j++){
                for (int k = 0; k <= M[i] && k * V[i] <= j; k++){
                    dp[i+1][j] = Math.max(dp[i+1][j], dp[i][j-k * V[i]] + k * P[i]);
                }
            }
        }
        System.out.println("最大价值为:" + dp[P.length][T]);
    }
}

跟01背包问题一样,完全背包的空间复杂度也可以进行优化,具体思路这里就不重复介绍了,可以翻看前面的01背包问题优化篇。

优化后的状态转移方程为:

ks(t) = max{ks(t), ks(t - Vi) + Pi}
public static class MultiKnapsack {
    private static int[] P={2,3,4};
    private static int[] V={3,4,5};
    private static int[] M={4,3,2};
    private static int T = 15;

    private int[] newResults = new int[T + 1];

    @Test
    public void resolve4() {
        int result = ksp(P.length,T);
        System.out.println(result);
    }

    private int ksp(int i, int t){
        // 开始填表
        for (int m = 0; m < i; m++){
            for (int n = V[m]; n <= t ; n++){
                if (n >= V[m] * (M[m] + 1)){
                    newResults[n] = newResults[n - 1];
                }else {
                    newResults[n] = Math.max(newResults[n] , newResults[n - V[m]] + P[m]);
                }
            }
            // 可以在这里输出中间结果
            System.out.println(JSON.toJSONString(newResults));
        }
        return newResults[newResults.length - 1];
    }
}

输出如下:

[0,0,0,2,2,2,4,4,4,6,6,6,8,8,8,8]
[0,0,0,2,3,3,4,5,6,6,7,8,9,9,10,11]
[0,0,0,2,3,4,4,5,6,7,8,8,9,10,11,11]
11

这里的优化多了一个限制条件,跟完全背包相比,唯一的区别在这里:

if (n >= V[m] * (M[m] + 1)){
    newResults[n] = newResults[n - 1];
}else {
    newResults[n] = Math.max(newResults[n] , newResults[n - V[m]] + P[m]);
}

代码很简单,但要理解却并不容易,为了加深理解,再画一张图:

【动态规划】多重背包问题

多重背包问题同样也可以转化成01背包问题来求解,因为第i件物品最多选 M[i] 件,于是可以把第i种物品转化为M[i]件体积和价值相同的物品,然后再来求解这个01背包问题。

总结

多重背包问题跟完全背包简直如出一辙,仅仅是比完全背包多一个限制条件而已,如果你回过头去看看前一篇文章,就会发现这篇文章简直就是抄袭。。

【动态规划】多重背包问题

关于多重背包问题的解析到此就结束了,三个经典的背包问题到这里就告一段落了。

【动态规划】多重背包问题

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