动态规划算法

article/2025/9/29 21:34:41

一 动态规划算法

动态规划(Dynamic Programming)算法的核心思想是:将大问题划分为小问题进行解决,从而一步步获取最优解的处理算法。

动态规划算法与分治算法类似。其基本思想也是将待求解问题分解成若干个子问题,先求解子问题,然后从这些子问题的解得到原问题的解。

与分治法不同的是,适合于用动态规划求解的问题,经分解得到子问题往往不是互相独立的。即下一个子阶段的求解是建立在上一个子阶段的解的基础上,进行进一步的求解。

动态规划可以通过填表的方式来逐步推进,得到最优解。

二 背包问题

背包问题可以通过动态规划算法来实现。

背包问题:

有一个背包,容量为4磅,现有如下物品。

1 要求达到的目标为装入的背包的总价值最大,并且重量不超出。

2 要求装入的物品不能重复。

三 用填表法解决背包问题

物品
0
1
2
3
4
0
0
0
0
0
吉他 (G)
0
 1500(G)
 1500(G)
 1500(G)
 1500(G)
音响 (S)
0
 1500(G)
 1500(G)
 1500(G)
 3000(S)
电脑 (L)
0
 1500(G)
 1500(G)
 2000(L)
3500(L+G)

说明

i:行坐标,代表物品。

j:列坐标,代表物品的容量。

v[i][j]:前 i 个物品中能够装入容量为j的背包中的最大价值。

装入顺序是从上到下,从左到右。

填表过程

1 可以分析出v[i][0]=v[0][j]=0,我们先把这些0填入上面的表格。用红色表示。

2 再考虑放吉他,因为它的容量是1磅,所以1磅,2磅,3磅,4磅的背包都可以将吉他放下,我们将吉他的价值填入。用绿色表示。

3 其次考虑放音响,因为它的容量是4磅,1磅,2磅,3磅的背包是放不下它的,所以它们对应的最大价值从上一行拷贝过来,我们用天蓝色表示。4磅的背包可以放下音响,放下音响后,就没剩余空间了,不能再放其它物品。因为它的价值3000大于吉他的价值1500,所以这里就放3000,我们依然用黑色表示。

4 最后我们考虑放电脑,因为它的容量是3磅,1磅,2磅的背包是放不下它的,它们对应的最大价值从上一行拷贝过来,我们用天蓝色表示。3磅的背包可以放下电脑,放下电脑后,就没剩余空间了,不能再放其它物品。因为它的价值2000大于吉他的价值1500,所以这里就放2000,我们依然用黑色表示。

5 4磅的背包可以放下电脑,放完电脑后,背包剩下的空间是1磅,1磅的空间最大可以放价值为1500的吉他,两个加起来是3500,大于上1行的3000,所以这里填写3500,我们用桔色表示。

四 背包问题的思路

背包问题主要是指一个给定容量的背包、若干具有一定价值和重量的物品,如何选择物品放入背包使物品的价值最大。

其中又分01背包和完全背包。

  • 完全背包:每种物品可以放多次。
  • 01背包:每个物品最多放一个。

无限背包可以转化为01背包。

算法的主要思想

利用动态规划来解决。每次遍历到的第i个物品,根据w[i]和v[i]来确定是否需要将该物品放入背包中。即对于给定的n个物品,设v[i]、w[i]分别为第i个物品的价值和重量,C为背包的容量。

令v[i][j]表示在前 i 个物品中能够装入容量为j的背包中的最大价值。

可以推出下面的结论:

1 v[i][0]=v[0][j]=0;

表示填入表第一行和第一列是0。

2 当w[i] > j 时:v[i][j]=v[i-1][j]   

该公式描述的是:当准备加入商品的容量大于当前背包的容量时,就直接使用上一个单元格的装入策略。

3 当j >=w[i]时:v[i][j]=max{v[i-1][j], v[i]+v[i-1][j-w[i]]}  

该公式描述的是:当准备加入的商品的容量小于等于当前背包的容量的装入的策略。

v[i-1][j]:就是上一个单元格的装入的最大值。

v[i]:表示当前要装入商品的价值。

v[i-1][j-w[i]] :表示在前 i-1 个物品中能够装入容量为 j-w[i] 的背包中的最大价值。

五 点睛

第3步的填表法和第4步的3个公式相互印证,可以结合起来理解。


http://chatgpt.dhexx.cn/article/XjbLcGyP.shtml

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