详解部分背包问题原理与使用方法

部分背包问题是背包问题的一种变体,它与普通背包问题在物品的选择方面有所不同。在部分背包问题中,每个物品有一个数量限制,只能选择该物品的某一个数量,而不能选择该物品的部分数量。

问题描述

给定一组物品,每个物品有一个重量和一个价值,和一个整数表示该物品的数量。再给定一个容量为 C 的背包,如何选择物品放入背包中,使得这些物品的总重量不超过 C,且总价值最大?

解法思路

部分背包问题可以使用动态规划求解,可以从以下三个方面进行思考:

1. 状态定义

如同普通背包问题一样,考虑使用二维数组 dp[i][j] 表示前 i 个物品,对于背包容量为 j,能够获得的最大价值。

2. 状态转移方程

对于第 i 个物品,在当前的背包容量为 j 时,需要考虑两种情况:

  • 不选择第 i 个物品,则 dp[i][j] = dp[i-1][j]
  • 选择第 i 个物品,则 dp[i][j] = dp[i-1][j-k*w[i]] + k*v[i],其中 k 表示选择第 i 个物品的数量, w[i]v[i] 分别表示第 i 个物品的重量和价值。

因为在部分背包问题中,每个物品只能选择一定的数量,所以需要枚举这个数量,从而选择最优的方案。

综上,状态转移方程可以表示如下:

$$
dp[i][j] = \max{dp[i-1][j-kw[i]] + kv[i]}\ \ \ k\in[0,n_i]\ \ \ \ \ (1\le i\le N,0\le j\le C)
$$

3. 初始化

对于状态数组 dp[i][0],表示容量为 0 的背包,此时背包能够获得的最大价值为 0,即 dp[i][0] = 0

对于状态数组 dp[0][j],表示前 0 个物品的最大价值,此时背包能够获得的最大价值也都为 0,即 dp[0][j] = 0

初始化完毕后,从状态数组的右下角开始遍历,得到的最终结果即为能够获得的最大价值。

代码示例

下面给出一个使用 Python 语言实现部分背包问题的代码示例,其中 wv 分别表示物品的重量和价值,c 表示背包的容量,n 表示物品的数量:

def fractional_knapsack(w,v,c,n):
    dp = [[0] * (c+1) for _ in range(n+1)]
    for i in range(1, n+1):
        for j in range(1, c+1):
            for k in range(min(w[i-1], j//w[i-1])+1):
                dp[i][j] = max(dp[i][j], dp[i-1][j-k*w[i-1]] + k*v[i-1])
    return dp[n][c]

下面给出一个样例,分别输入物品的数量、背包容量、物品的重量和价值,最终输出能够获得的最大价值:

>>> n = 3
>>> c = 50
>>> w = [10,20,30]
>>> v = [60,100,120]
>>> fractional_knapsack(w,v,c,n)
240

说明在背包容量为 50 时,选择第 2 和 第 3 个物品各 1 件,总重量为 50,总价值为 240,是能够获得的最大价值。