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LATEX重新制作并全面修订，您现在看 到的是2.0 alpha1版本，修订历史及最新版本请访问https://github.com/tianyicui/ pack 查阅。 本文版权归原作者所有，采用CC BY-NC-SA 协议发布。 ### 背包问题九讲 2.0 alpha1 知识点解析 #### 一、01背包问题 **1.1 题目** 01背包问题是最基础的背包问题之一，主要关注如何从N件物品中选择一些放入容量为V的背包内，使得这些物品的总价值最大化。每件物品只能选择放入或不放入，不可分割。 **1.2 基本思路** - **状态定义**: `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。 - **状态转移方程**: \[ F[i, v] = \max\{F[i - 1, v], F[i - 1, v - C_i] + W_i\} \] 其中: - \(F[i - 1, v]\) 表示不放入第i件物品的情况； - \(F[i - 1, v - C_i] + W_i\) 表示放入第i件物品的情况。 - **伪代码**: ```plaintext F[0, 0..V] = 0 for i = 1 to N for v = C_i to V F[i, v] = max{F[i - 1, v], F[i - 1, v - C_i] + W_i} ``` **1.3 优化空间复杂度** 原始算法的时间复杂度和空间复杂度都是\(O(NV)\)。为了减少空间占用，可以将空间复杂度优化到\(O(V)\)。具体做法是在主循环中只维护一个一维数组\(F[0..V]\)来存储当前层的结果，并按从大到小的顺序更新数组中的元素，确保每个\(F[v]\)的计算都是基于前一层的数据完成的。 **1.4 初始化的细节问题** 在实际编程中，通常需要对初始条件进行处理。例如，在这里，所有\(F[0, v]\)的值被设置为0，这是因为没有物品的情况下，无论背包容量是多少，所能获得的价值总是0。 **1.5 一个常数优化** 在计算过程中，可以通过一些技巧进一步提高效率，比如预处理一些常用数据，避免重复计算等。 **1.6 小结** 01背包问题的关键在于理解状态转移方程的意义，并正确地应用它。优化后的空间复杂度降低了算法的资源消耗，使其更适用于大规模问题。 #### 二、完全背包问题 **2.1 题目** 与01背包问题不同，完全背包问题允许每种物品可以无限次选择放入背包。 **2.2 基本思路** - **状态定义** 同01背包问题，但在状态转移时，需要考虑同一种物品可以多次放入的情况。 - **状态转移方程**: \[ F[i, v] = \max\{F[i, v], F[i - 1, v - k \cdot C_i] + k \cdot W_i\} (k \cdot C_i \leq v) \] 其中\(k\)表示放入第i件物品的数量。 **2.3 一个简单有效的优化** 对于完全背包问题，可以直接利用01背包问题的思想进行优化。具体来说，可以将每种物品重复若干次后作为一个新的01背包问题来解决。 **2.4 转化为01背包问题求解** 另一种方法是直接将完全背包问题转化为01背包问题，通过扩展物品集合来模拟每种物品可以多次选择的情况。 **2.5 O(VN)的算法** 虽然状态转移方程的形式看起来较为复杂，但是通过对状态转移过程的分析，可以发现完全背包问题同样可以使用O(VN)的时间复杂度进行求解。 **2.6 小结** 完全背包问题的关键在于理解物品可以重复选择的特性，并合理设计状态转移方程来反映这一特点。 #### 三、多重背包问题 **3.1 题目** 多重背包问题允许每种物品有一定的数量限制，每种物品可以选择不超过其数量限制地放入背包。 **3.2 基本算法** - **状态定义** 与01背包相同。 - **状态转移方程**: \[ F[i, v] = \max\{F[i, v], F[i - 1, v - j \cdot C_i] + j \cdot W_i\} (j \cdot C_i \leq v, j \leq 数量限制) \] **3.3 转化为01背包问题** 多重背包问题也可以通过扩展物品集合的方法转化为01背包问题来解决。 **3.4 O(VN)的算法** 多重背包问题同样可以通过O(VN)的时间复杂度进行求解。 **3.5 小结** 多重背包问题的关键在于理解每种物品数量有限的特点，并合理设计状态转移方程来反映这一限制。 #### 四、混合三种背包问题 **4.1 问题** 在实际问题中，往往需要同时处理01背包、完全背包以及多重背包的混合情况。 **4.2 01背包与完全背包的混合** 当面对01背包与完全背包的混合问题时，可以将两种类型的物品分别处理，然后再综合起来。 **4.3 再加上多重背包** 进一步扩展到包括多重背包的情况，则需要更加细致地设计状态转移方程。 **4.4 小结** 混合背包问题的解决策略取决于具体的物品类型组合，关键在于合理设计状态转移方程来适应不同的背包类型。 #### 五、二维费用的背包问题 **5.1 问题** 当物品不仅有一个成本维度（如重量），还有一个额外的成本维度（如体积）时，问题变得更为复杂。 **5.2 算法** 针对二维费用的背包问题，需要重新定义状态和状态转移方程。 **5.3 物品总个数的限制** 除了考虑费用限制外，还需要考虑到物品数量的限制。 **5.4 复整数域上的背包问题** 在某些特殊情况下，背包问题还可以扩展到复整数域上，涉及到复数的运算。 **5.5 小结** 二维费用的背包问题增加了问题的难度，需要更精细的设计来解决问题。 #### 六、分组的背包问题 **6.1 问题** 当物品可以分为几个组，每个组内的物品具有相似的属性时，这种问题被称为分组背包问题。 **6.2 算法** 针对分组背包问题，可以将同一组内的物品视为整体来处理。 **6.3 小结** 分组背包问题的关键在于合理地划分物品组，并设计相应的状态转移方程。 #### 七、有依赖的背包问题 **7.1 简化的问题** 在某些情况下，物品之间存在依赖关系，需要特别处理。 **7.2 算法** 对于有依赖的背包问题，需要考虑物品之间的依赖关系，并相应调整状态转移方程。 **7.3 较一般的问题** 更一般的问题可能涉及复杂的依赖关系。 **7.4 小结** 有依赖的背包问题需要特别注意物品之间的相互影响。 #### 八、泛化物品 **8.1 定义** 泛化物品的概念可以用来解决更加复杂的问题，如物品的价值或成本可以是任意函数形式。 **8.2 泛化物品的和** 泛化物品的概念可以应用于物品的总价值或总成本。 **8.3 背包问题的泛化物品** 在背包问题中，泛化物品可以进一步拓展问题的应用范围。 **8.4 小结** 泛化物品的概念为解决更加复杂的问题提供了可能性。 #### 九、背包问题问法的变化 **9.1 输出方案** 不仅仅是输出最大价值，还需要输出达到该最大价值的具体方案。 **9.2 输出字典序最小的最优方案** 在输出方案的同时，还需要考虑输出字典序最小的方案。 **9.3 求方案总数** 求解所有达到最大价值的方案总数。 **9.4 最优方案的总数** 进一步考虑最优方案的数量。 **9.5 求次优解、第K优解** 求解次优解或者第K优解等问题。 **9.6 小结** 背包问题的变化形式丰富多样，需要根据具体问题灵活应对。 通过以上总结可以看出，背包问题涵盖了多个不同的变体，每种变体都有其独特之处。在解决实际问题时，需要根据具体情况选择合适的方法和技术。

在IT领域，动态规划是一种强大的算法工具，常用于解决复杂的问题，如最优化问题。本主题聚焦于"01背包问题"，这是一个经典的计算机科学优化问题，与动态规划紧密相关。01背包问题通常出现在资源有限的情况下，我们需要选择最优的物品组合以最大化价值或满足特定目标。 动态规划是一种解决问题的方法，它将复杂问题分解为较小的子问题，并存储子问题的解决方案以避免重复计算。在01背包问题中，我们有一个容量为W的背包和n个物品，每个物品有重量wi和价值vi。目标是选取不超过背包容量的物品，使得总价值最大。 我们定义一个二维数组dp[i][j]，其中i表示考虑前i个物品，j表示背包剩余容量。dp[i][j]表示在考虑前i个物品且背包容量为j时能够获得的最大价值。 动态规划的转移方程是关键所在。对于第i个物品，有两种情况： 1. 如果不选第i个物品（即跳过），那么dp[i][j]等于dp[i-1][j]，因为我们没有使用第i个物品的任何部分。 2. 如果选择第i个物品，我们必须检查是否背包容量足够装下它。如果j>=wi，我们可以尝试放入这个物品。在这种情况下，dp[i][j]等于dp[i-1][j-wi]加上第i个物品的价值vi，因为我们使用了第i个物品并且背包容量减少了wi。 最终，dp[n][W]就是我们寻找的最优解，即在背包容量W限制下，能获得的最大价值。 在实际应用中，01背包问题可以扩展到多个限制条件，例如物品可能有类别限制、数量限制等。解决这些问题通常需要对基础动态规划方案进行适当的修改和扩展。 在"01 背包问题限定条件最优解动态规划算法.docx"文档中，可能会详细介绍如何处理这些额外的条件，包括如何构造状态和调整转移方程，以及如何通过剪枝技术减少计算量，提高算法效率。这可能是通过引入额外的维度来记录这些条件，或者通过设计更复杂的决策过程来处理约束。 01背包问题及其动态规划解法是理解和掌握动态规划算法的重要案例，它们在实际问题中有着广泛的应用，如资源分配、任务调度、投资组合优化等。深入理解并熟练应用动态规划，对于提升编程能力和解决实际问题能力至关重要。

C++从文件读取数据，利用动态规划实现01背包问题

0-1背包问题的多种解法，包括暴力求解、动态规划求解、回溯法、贪心法求解求解、模拟退火算法，C++源代码，有详细的注释

用C++贪心算法实现背包问题（非0-1背包）

假设有一个能装入总体积为T的背包和n件体积分别为w1 , w2 , … , wn 的物品，能否从n件物品中挑选若干件恰好装满背包，即使w1 +w2 + … + wn=T，要求找出所有满足上述条件的解。例如：当T=10，各件物品的体积{1，8，4，3，5，2}时，可找到下列4组解：（1，4，3，2），（1，4，5），（8，2），（3，5，2）。 重庆理工大学，软件工程系，课程设计。

最大似然波达方向(DOA)估计具有最优的理论性能,但是存在计算量过大的问题。为了降低最大似然DOA估计的计算量,将参数估计转化为高维非线性函数的优化问题,并提出了一种新的优化算法。首先利用波束形成法对空间谱进行预估计并根据空间谱信息构造一组满足"预估分布"的初始解,这组初始解以较大概率落在全局最优解的局部吸引域中。然后将其中适应度最大的一个初始解作为局部搜索的起点。网格爬山法是一种以网格为单元的局部搜索方法,比传统爬山法更加高效和稳定,因此采用该方法获取全局最优解。新算法不仅能够得到精确的参数估计,同时具有较高的计算效率,计算机仿真显示新算法的计算效率高于基于粒子群优化的最大似然DOA估计算法。

针对标准粒子群算法(PSO)全局与局部搜索能力相互制约的缺点,提出一种带有独立局部搜索机制、多区域搜索策略和渐近收敛能力的新型PSO算法(ILS-PSO).设计新的简化参数的全局搜索公式、非劣解邻域局部搜索公式和当前最优解邻域深度搜索公式,使算法具备独立的全局与局部搜索能力.通过参数xi$和\lambda$ 协调算法的全局与局部搜索能力,以实现算法的多区域搜索和渐近式收敛.典型函数及其偏移函数的对比测试结果表明,ILS-PSO算法具有良好的优化性能,其综合性能优于其他对比算法.

针对人工蜂群算法在求解函数优化问题中存在收敛精度不高、收敛速度较慢的问题，提出了一种改进的增强寻优能力的自适应人工蜂群算法。该算法利用逻辑自映射函数产生混沌序列对雇佣蜂搜索行为进行混沌优化，并引入萤火虫算法中的自适应步长策略动态调整观察蜂的搜索行为，从而提升了算法的局部搜索能力。基于标准测试函数的仿真结果表明，改进后的人工蜂群算法在寻优精度和收敛速度上均有明显提高。

背包问题PSO（粒子群算法，Particle Swarm Optimization）基本算法代码，仅供参考