This commit is contained in:
krahets
2023-07-26 03:16:04 +08:00
parent a71f51e5b8
commit fd34c845bc
15 changed files with 208 additions and 187 deletions
@@ -3396,16 +3396,16 @@
<h1 id="152">15.2. &nbsp; 分数背包问题<a class="headerlink" href="#152" title="Permanent link">&para;</a></h1>
<p>分数背包是 0-1 背包问题的一个变种问题。</p>
<p>分数背包是 0-1 背包的一个变种问题。</p>
<div class="admonition question">
<p class="admonition-title">Question</p>
<p>给定 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 个物品,第 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 个物品的重量为 <span class="arithmatex">\(wgt[i-1]\)</span> 、价值为 <span class="arithmatex">\(val[i-1]\)</span> 现在有个容量为 <span class="arithmatex">\(cap\)</span> 的背包每个物品只能选择一次,<strong>但可以选择物品的一部分,价值根据选择的重量比例计算</strong>,问在不超过背包容量下背包中物品的最大价值。</p>
<p>给定 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 个物品,第 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 个物品的重量为 <span class="arithmatex">\(wgt[i-1]\)</span> 、价值为 <span class="arithmatex">\(val[i-1]\)</span> 和一个容量为 <span class="arithmatex">\(cap\)</span> 的背包每个物品只能选择一次,<strong>但可以选择物品的一部分,价值根据选择的重量比例计算</strong>,问在不超过背包容量下背包中物品的最大价值。</p>
</div>
<p><img alt="分数背包问题的示例数据" src="../fractional_knapsack_problem.assets/fractional_knapsack_example.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 分数背包问题的示例数据 </p>
<p>本题和 0-1 背包整体上非常相似,状态包含当前物品 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 和容量 <span class="arithmatex">\(c\)</span> ,目标是求不超过背包容量下的最大价值。</p>
<p>不同点在于,本题允许只选择物品的一部分,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,因此有:</p>
<p>不同点在于,本题允许只选择物品的一部分,<strong>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</strong>,因此有:</p>
<ol>
<li>对于物品 <span class="arithmatex">\(i\)</span> ,它在单位重量下的价值为 <span class="arithmatex">\(val[i-1] / wgt[i-1]\)</span> ,简称为单位价值;</li>
<li>假设放入一部分物品 <span class="arithmatex">\(i\)</span> ,重量为 <span class="arithmatex">\(w\)</span> ,则背包增加的价值为 <span class="arithmatex">\(w \times val[i-1] / wgt[i-1]\)</span> </li>
@@ -3424,7 +3424,7 @@
<p align="center"> Fig. 分数背包的贪心策略 </p>
<h3 id="_2">代码实现<a class="headerlink" href="#_2" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>我们建了一个物品类 <code>Item</code> ,以便将物品按照单位价值进行排序。循环进行贪心选择,当背包已满时跳出并返回解。</p>
<p>我们建了一个物品类 <code>Item</code> ,以便将物品按照单位价值进行排序。循环进行贪心选择,当背包已满时跳出并返回解。</p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="1:11"><input checked="checked" id="__tabbed_1_1" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_2" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_3" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_4" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_5" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_6" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_7" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_8" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_9" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_10" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_11" name="__tabbed_1" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_1_1">Java</label><label for="__tabbed_1_2">C++</label><label for="__tabbed_1_3">Python</label><label for="__tabbed_1_4">Go</label><label for="__tabbed_1_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_1_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_1_7">C</label><label for="__tabbed_1_8">C#</label><label for="__tabbed_1_9">Swift</label><label for="__tabbed_1_10">Zig</label><label for="__tabbed_1_11">Dart</label></div>
<div class="tabbed-content">
<div class="tabbed-block">
@@ -3646,12 +3646,14 @@
</div>
</div>
</div>
<p>最差情况下,需要遍历整个物品列表,<strong>因此时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span></strong> ,其中 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 为物品数量。由于初始化了一个 <code>Item</code> 对象列表,<strong>因此空间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span></strong></p>
<p>最差情况下,需要遍历整个物品列表,<strong>因此时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span></strong> ,其中 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 为物品数量。</p>
<p>由于初始化了一个 <code>Item</code> 对象列表,<strong>因此空间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span></strong></p>
<h3 id="_3">正确性证明<a class="headerlink" href="#_3" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>采用反证法。假设物品 <span class="arithmatex">\(x\)</span> 是单位价值最高的物品,使用某算法求得最大价值为 <span class="arithmatex">\(res\)</span> ,但该解中不包含物品 <span class="arithmatex">\(x\)</span></p>
<p>现在从背包中拿出单位重量的任意物品,并替换为单位重量的物品 <span class="arithmatex">\(x\)</span> 。由于物品 <span class="arithmatex">\(x\)</span> 的单位价值最高,因此替换后的总价值一定大于 <span class="arithmatex">\(res\)</span><strong>这与 <span class="arithmatex">\(res\)</span> 是最优解矛盾,说明最优解中必须包含物品 <span class="arithmatex">\(x\)</span></strong></p>
<p>采用反证法。假设物品 <span class="arithmatex">\(x\)</span> 是单位价值最高的物品,使用某算法求得最大价值为 <code>res</code> ,但该解中不包含物品 <span class="arithmatex">\(x\)</span></p>
<p>现在从背包中拿出单位重量的任意物品,并替换为单位重量的物品 <span class="arithmatex">\(x\)</span> 。由于物品 <span class="arithmatex">\(x\)</span> 的单位价值最高,因此替换后的总价值一定大于 <code>res</code><strong>这与 <code>res</code> 是最优解矛盾,说明最优解中必须包含物品 <span class="arithmatex">\(x\)</span></strong></p>
<p>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,<strong>单位价值更大的物品总是更优选择</strong>,这说明贪心策略是有效的。</p>
<p>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清晰地看到贪心策略的有效性。</p>
<p>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”。</p>
<p>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。</p>
<p><img alt="分数背包问题的几何表示" src="../fractional_knapsack_problem.assets/fractional_knapsack_area_chart.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 分数背包问题的几何表示 </p>