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2023-08-21 19:32:37 +08:00
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# 15.2   分数背包问题
分数背包是 0-1 背包的一个变种问题。
!!! question
给定 $n$ 个物品,第 $i$ 个物品的重量为 $wgt[i-1]$ 、价值为 $val[i-1]$ ,和一个容量为 $cap$ 的背包。每个物品只能选择一次,**但可以选择物品的一部分,价值根据选择的重量比例计算**,问在不超过背包容量下背包中物品的最大价值。
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<p align="center"> 图:分数背包问题的示例数据 </p>
本题和 0-1 背包整体上非常相似,状态包含当前物品 $i$ 和容量 $c$ ,目标是求不超过背包容量下的最大价值。
分数背包和 0-1 背包整体上非常相似,状态包含当前物品 $i$ 和容量 $c$ ,目标是求不超过背包容量下的最大价值。
不同点在于,本题允许只选择物品的一部分**这意味着可以对物品任意地进行切分,并按照重量比例来计算物品价值**,因此有:
不同点在于,本题允许只选择物品的一部分。如下图所示,**我们可以对物品任意地进行切分,并按照重量比例来计算物品价值**
1. 对于物品 $i$ ,它在单位重量下的价值为 $val[i-1] / wgt[i-1]$ ,简称为单位价值。
2. 假设放入一部分物品 $i$ ,重量为 $w$ ,则背包增加的价值为 $w \times val[i-1] / wgt[i-1]$ 。
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### 1. &nbsp; 贪心策略确定
最大化背包内物品总价值,**本质上是要最大化单位重量下的物品价值**。由此便可推出本题的贪心策略:
最大化背包内物品总价值,**本质上是要最大化单位重量下的物品价值**。由此便可推出下图所示的贪心策略:
1. 将物品按照单位价值从高到低进行排序。
2. 遍历所有物品,**每轮贪心地选择单位价值最高的物品**。
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对于该解中的其他物品,我们也可以构建出上述矛盾。总而言之,**单位价值更大的物品总是更优选择**,这说明贪心策略是有效的。
如下图所示,如果将物品重量和物品单位价值分别看作一个 2D 图表的横轴和纵轴,则分数背包问题可被转化为“求在有限横轴区间下的最大围成面积”。
通过这个类比,我们可以从几何角度理解贪心策略的有效性。
如下图所示,如果将物品重量和物品单位价值分别看作一个 2D 图表的横轴和纵轴,则分数背包问题可被转化为“求在有限横轴区间下的最大围成面积”。这个类比可以帮助我们从几何角度理解贪心策略的有效性。
![分数背包问题的几何表示](fractional_knapsack_problem.assets/fractional_knapsack_area_chart.png)