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15.2 分数ナップサック問題

!!! question

$n$ 個の品物が与えられ、第 $i$ 個の品物の重さは $wgt[i-1]$、価値は $val[i-1]$ であり、容量が $cap$ のナップサックがある。各品物は 1 回だけ選択できるが、**品物の一部を選ぶこともでき、価値は選択した重量の割合に応じて計算される**。容量制限の下でナップサック内の品物の最大価値を求めよ。例を以下に示す。

{ class="animation-figure" }

図 15-3 分数ナップサック問題の例データ

分数ナップサック問題は 0-1 ナップサック問題と全体として非常によく似ており、状態には現在の品物 i と容量 c が含まれ、目標は容量制限下での最大価値を求めることである。

異なる点は、本問では品物の一部だけを選べることである。以下に示すように、品物は任意に分割でき、対応する価値は重量の割合に応じて計算される。

品物 i について、単位重量あたりの価値は val[i-1] / wgt[i-1] であり、これを単位価値と呼ぶ。
品物 i の一部を重さ w だけ入れると、ナップサックに増える価値は w \times val[i-1] / wgt[i-1] となる。

{ class="animation-figure" }

図 15-4 品物の単位重量あたりの価値

1. 貪欲戦略の決定

ナップサック内の品物の総価値を最大化することは、本質的には単位重量あたりの品物価値を最大化することである。そこから、以下に示す貪欲戦略を導ける。

品物を単位価値の高い順にソートする。
すべての品物を走査し、各回で単位価値が最も高い品物を貪欲に選択する。
残りのナップサック容量が足りない場合は、現在の品物の一部を使ってナップサックを満たす。

{ class="animation-figure" }

図 15-5 分数ナップサック問題の貪欲戦略

2. コード実装

品物を単位価値でソートできるように、Item クラスを定義する。貪欲選択を繰り返し、ナップサックが満杯になったら終了して解を返す。

=== "Python"

```python title="fractional_knapsack.py"
class Item:
    """品物"""

    def __init__(self, w: int, v: int):
        self.w = w  # 品物の重さ
        self.v = v  # 品物の価値

def fractional_knapsack(wgt: list[int], val: list[int], cap: int) -> int:
    """分数ナップサック：貪欲法"""
    # 重さと価値の 2 属性を持つ品物リストを作成
    items = [Item(w, v) for w, v in zip(wgt, val)]
    # 単位価値 item.v / item.w の高い順にソートする
    items.sort(key=lambda item: item.v / item.w, reverse=True)
    # 貪欲選択を繰り返す
    res = 0
    for item in items:
        if item.w <= cap:
            # 残り容量が十分なら、現在の品物を丸ごとナップサックに入れる
            res += item.v
            cap -= item.w
        else:
            # 残り容量が足りない場合は、現在の品物の一部だけをナップサックに入れる
            res += (item.v / item.w) * cap
            # 残り容量がないため、ループを抜ける
            break
    return res
```

=== "C++"

```cpp title="fractional_knapsack.cpp"
/* 品物 */
class Item {
  public:
    int w; // 品物の重さ
    int v; // 品物の価値

    Item(int w, int v) : w(w), v(v) {
    }
};

/* 分数ナップサック：貪欲法 */
double fractionalKnapsack(vector<int> &wgt, vector<int> &val, int cap) {
    // 重さと価値の 2 属性を持つ品物リストを作成
    vector<Item> items;
    for (int i = 0; i < wgt.size(); i++) {
        items.push_back(Item(wgt[i], val[i]));
    }
    // 単位価値 item.v / item.w の高い順にソートする
    sort(items.begin(), items.end(), [](Item &a, Item &b) { return (double)a.v / a.w > (double)b.v / b.w; });
    // 貪欲選択を繰り返す
    double res = 0;
    for (auto &item : items) {
        if (item.w <= cap) {
            // 残り容量が十分なら、現在の品物を丸ごとナップサックに入れる
            res += item.v;
            cap -= item.w;
        } else {
            // 残り容量が足りない場合は、現在の品物の一部だけをナップサックに入れる
            res += (double)item.v / item.w * cap;
            // 残り容量がないため、ループを抜ける
            break;
        }
    }
    return res;
}
```

=== "Java"

```java title="fractional_knapsack.java"
/* 品物 */
class Item {
    int w; // 品物の重さ
    int v; // 品物の価値

    public Item(int w, int v) {
        this.w = w;
        this.v = v;
    }
}

/* 分数ナップサック：貪欲法 */
double fractionalKnapsack(int[] wgt, int[] val, int cap) {
    // 重さと価値の 2 属性を持つ品物リストを作成
    Item[] items = new Item[wgt.length];
    for (int i = 0; i < wgt.length; i++) {
        items[i] = new Item(wgt[i], val[i]);
    }
    // 単位価値 item.v / item.w の高い順にソートする
    Arrays.sort(items, Comparator.comparingDouble(item -> -((double) item.v / item.w)));
    // 貪欲選択を繰り返す
    double res = 0;
    for (Item item : items) {
        if (item.w <= cap) {
            // 残り容量が十分なら、現在の品物を丸ごとナップサックに入れる
            res += item.v;
            cap -= item.w;
        } else {
            // 残り容量が足りない場合は、現在の品物の一部だけをナップサックに入れる
            res += (double) item.v / item.w * cap;
            // 残り容量がないため、ループを抜ける
            break;
        }
    }
    return res;
}
```

=== "C#"

```csharp title="fractional_knapsack.cs"
/* 品物 */
class Item(int w, int v) {
    public int w = w; // 品物の重さ
    public int v = v; // 品物の価値
}

/* 分数ナップサック：貪欲法 */
double FractionalKnapsack(int[] wgt, int[] val, int cap) {
    // 重さと価値の 2 属性を持つ品物リストを作成
    Item[] items = new Item[wgt.Length];
    for (int i = 0; i < wgt.Length; i++) {
        items[i] = new Item(wgt[i], val[i]);
    }
    // 単位価値 item.v / item.w の高い順にソートする
    Array.Sort(items, (x, y) => (y.v / y.w).CompareTo(x.v / x.w));
    // 貪欲選択を繰り返す
    double res = 0;
    foreach (Item item in items) {
        if (item.w <= cap) {
            // 残り容量が十分なら、現在の品物を丸ごとナップサックに入れる
            res += item.v;
            cap -= item.w;
        } else {
            // 残り容量が足りない場合は、現在の品物の一部だけをナップサックに入れる
            res += (double)item.v / item.w * cap;
            // 残り容量がないため、ループを抜ける
            break;
        }
    }
    return res;
}
```

=== "Go"

```go title="fractional_knapsack.go"
/* 品物 */
type Item struct {
    w int // 品物の重さ
    v int // 品物の価値
}

/* 分数ナップサック：貪欲法 */
func fractionalKnapsack(wgt []int, val []int, cap int) float64 {
    // 重さと価値の 2 属性を持つ品物リストを作成
    items := make([]Item, len(wgt))
    for i := 0; i < len(wgt); i++ {
        items[i] = Item{wgt[i], val[i]}
    }
    // 単位価値 item.v / item.w の高い順にソートする
    sort.Slice(items, func(i, j int) bool {
        return float64(items[i].v)/float64(items[i].w) > float64(items[j].v)/float64(items[j].w)
    })
    // 貪欲選択を繰り返す
    res := 0.0
    for _, item := range items {
        if item.w <= cap {
            // 残り容量が十分なら、現在の品物を丸ごとナップサックに入れる
            res += float64(item.v)
            cap -= item.w
        } else {
            // 残り容量が足りない場合は、現在の品物の一部だけをナップサックに入れる
            res += float64(item.v) / float64(item.w) * float64(cap)
            // 残り容量がないため、ループを抜ける
            break
        }
    }
    return res
}
```

=== "Swift"

```swift title="fractional_knapsack.swift"
/* 品物 */
class Item {
    var w: Int // 品物の重さ
    var v: Int // 品物の価値

    init(w: Int, v: Int) {
        self.w = w
        self.v = v
    }
}

/* 分数ナップサック：貪欲法 */
func fractionalKnapsack(wgt: [Int], val: [Int], cap: Int) -> Double {
    // 重さと価値の 2 属性を持つ品物リストを作成
    var items = zip(wgt, val).map { Item(w: $0, v: $1) }
    // 単位価値 item.v / item.w の高い順にソートする
    items.sort { -(Double($0.v) / Double($0.w)) < -(Double($1.v) / Double($1.w)) }
    // 貪欲選択を繰り返す
    var res = 0.0
    var cap = cap
    for item in items {
        if item.w <= cap {
            // 残り容量が十分なら、現在の品物を丸ごとナップサックに入れる
            res += Double(item.v)
            cap -= item.w
        } else {
            // 残り容量が足りない場合は、現在の品物の一部だけをナップサックに入れる
            res += Double(item.v) / Double(item.w) * Double(cap)
            // 残り容量がないため、ループを抜ける
            break
        }
    }
    return res
}
```

=== "JS"

```javascript title="fractional_knapsack.js"
/* 品物 */
class Item {
    constructor(w, v) {
        this.w = w; // 品物の重さ
        this.v = v; // 品物の価値
    }
}

/* 分数ナップサック：貪欲法 */
function fractionalKnapsack(wgt, val, cap) {
    // 重さと価値の 2 属性を持つ品物リストを作成
    const items = wgt.map((w, i) => new Item(w, val[i]));
    // 単位価値 item.v / item.w の高い順にソートする
    items.sort((a, b) => b.v / b.w - a.v / a.w);
    // 貪欲選択を繰り返す
    let res = 0;
    for (const item of items) {
        if (item.w <= cap) {
            // 残り容量が十分なら、現在の品物を丸ごとナップサックに入れる
            res += item.v;
            cap -= item.w;
        } else {
            // 残り容量が足りない場合は、現在の品物の一部だけをナップサックに入れる
            res += (item.v / item.w) * cap;
            // 残り容量がないため、ループを抜ける
            break;
        }
    }
    return res;
}
```

=== "TS"

```typescript title="fractional_knapsack.ts"
/* 品物 */
class Item {
    w: number; // 品物の重さ
    v: number; // 品物の価値

    constructor(w: number, v: number) {
        this.w = w;
        this.v = v;
    }
}

/* 分数ナップサック：貪欲法 */
function fractionalKnapsack(wgt: number[], val: number[], cap: number): number {
    // 重さと価値の 2 属性を持つ品物リストを作成
    const items: Item[] = wgt.map((w, i) => new Item(w, val[i]));
    // 単位価値 item.v / item.w の高い順にソートする
    items.sort((a, b) => b.v / b.w - a.v / a.w);
    // 貪欲選択を繰り返す
    let res = 0;
    for (const item of items) {
        if (item.w <= cap) {
            // 残り容量が十分なら、現在の品物を丸ごとナップサックに入れる
            res += item.v;
            cap -= item.w;
        } else {
            // 残り容量が足りない場合は、現在の品物の一部だけをナップサックに入れる
            res += (item.v / item.w) * cap;
            // 残り容量がないため、ループを抜ける
            break;
        }
    }
    return res;
}
```

=== "Dart"

```dart title="fractional_knapsack.dart"
/* 品物 */
class Item {
  int w; // 品物の重さ
  int v; // 品物の価値

  Item(this.w, this.v);
}

/* 分数ナップサック：貪欲法 */
double fractionalKnapsack(List<int> wgt, List<int> val, int cap) {
  // 重さと価値の 2 属性を持つ品物リストを作成
  List<Item> items = List.generate(wgt.length, (i) => Item(wgt[i], val[i]));
  // 単位価値 item.v / item.w の高い順にソートする
  items.sort((a, b) => (b.v / b.w).compareTo(a.v / a.w));
  // 貪欲選択を繰り返す
  double res = 0;
  for (Item item in items) {
    if (item.w <= cap) {
      // 残り容量が十分なら、現在の品物を丸ごとナップサックに入れる
      res += item.v;
      cap -= item.w;
    } else {
      // 残り容量が足りない場合は、現在の品物の一部だけをナップサックに入れる
      res += item.v / item.w * cap;
      // 残り容量がないため、ループを抜ける
      break;
    }
  }
  return res;
}
```

=== "Rust"

```rust title="fractional_knapsack.rs"
/* 品物 */
struct Item {
    w: i32, // 品物の重さ
    v: i32, // 品物の価値
}

impl Item {
    fn new(w: i32, v: i32) -> Self {
        Self { w, v }
    }
}

/* 分数ナップサック：貪欲法 */
fn fractional_knapsack(wgt: &[i32], val: &[i32], mut cap: i32) -> f64 {
    // 重さと価値の 2 属性を持つ品物リストを作成
    let mut items = wgt
        .iter()
        .zip(val.iter())
        .map(|(&w, &v)| Item::new(w, v))
        .collect::<Vec<Item>>();
    // 単位価値 item.v / item.w の高い順にソートする
    items.sort_by(|a, b| {
        (b.v as f64 / b.w as f64)
            .partial_cmp(&(a.v as f64 / a.w as f64))
            .unwrap()
    });
    // 貪欲選択を繰り返す
    let mut res = 0.0;
    for item in &items {
        if item.w <= cap {
            // 残り容量が十分なら、現在の品物を丸ごとナップサックに入れる
            res += item.v as f64;
            cap -= item.w;
        } else {
            // 残り容量が足りない場合は、現在の品物の一部だけをナップサックに入れる
            res += item.v as f64 / item.w as f64 * cap as f64;
            // 残り容量がないため、ループを抜ける
            break;
        }
    }
    res
}
```

=== "C"

```c title="fractional_knapsack.c"
/* 品物 */
typedef struct {
    int w; // 品物の重さ
    int v; // 品物の価値
} Item;

/* 分数ナップサック：貪欲法 */
float fractionalKnapsack(int wgt[], int val[], int itemCount, int cap) {
    // 重さと価値の 2 属性を持つ品物リストを作成
    Item *items = malloc(sizeof(Item) * itemCount);
    for (int i = 0; i < itemCount; i++) {
        items[i] = (Item){.w = wgt[i], .v = val[i]};
    }
    // 単位価値 item.v / item.w の高い順にソートする
    qsort(items, (size_t)itemCount, sizeof(Item), sortByValueDensity);
    // 貪欲選択を繰り返す
    float res = 0.0;
    for (int i = 0; i < itemCount; i++) {
        if (items[i].w <= cap) {
            // 残り容量が十分なら、現在の品物を丸ごとナップサックに入れる
            res += items[i].v;
            cap -= items[i].w;
        } else {
            // 残り容量が足りない場合は、現在の品物の一部だけをナップサックに入れる
            res += (float)cap / items[i].w * items[i].v;
            cap = 0;
            break;
        }
    }
    free(items);
    return res;
}
```

=== "Kotlin"

```kotlin title="fractional_knapsack.kt"
/* 品物 */
class Item(
    val w: Int, // 品物
    val v: Int  // 品物の価値
)

/* 分数ナップサック：貪欲法 */
fun fractionalKnapsack(wgt: IntArray, _val: IntArray, c: Int): Double {
    // 重さと価値の 2 属性を持つ品物リストを作成
    var cap = c
    val items = arrayOfNulls<Item>(wgt.size)
    for (i in wgt.indices) {
        items[i] = Item(wgt[i], _val[i])
    }
    // 単位価値 item.v / item.w の高い順にソートする
    items.sortBy { item: Item? -> -(item!!.v.toDouble() / item.w) }
    // 貪欲選択を繰り返す
    var res = 0.0
    for (item in items) {
        if (item!!.w <= cap) {
            // 残り容量が十分なら、現在の品物を丸ごとナップサックに入れる
            res += item.v
            cap -= item.w
        } else {
            // 残り容量が足りない場合は、現在の品物の一部だけをナップサックに入れる
            res += item.v.toDouble() / item.w * cap
            // 残り容量がないため、ループを抜ける
            break
        }
    }
    return res
}
```

=== "Ruby"

```ruby title="fractional_knapsack.rb"
### アイテム ###
class Item
  attr_accessor :w # 品物の重さ
  attr_accessor :v # 品物の価値

  def initialize(w, v)
    @w = w
    @v = v
  end
end

### 分数ナップサック：貪欲法 ###
def fractional_knapsack(wgt, val, cap)
  # 重さと価値の 2 属性を持つ品物リストを作成する
  items = wgt.each_with_index.map { |w, i| Item.new(w, val[i]) }
  # 単位価値 item.v / item.w の高い順にソートする
  items.sort! { |a, b| (b.v.to_f / b.w) <=> (a.v.to_f / a.w) }
  # 貪欲選択を繰り返す
  res = 0
  for item in items
    if item.w <= cap
      # 残り容量が十分なら、現在の品物を丸ごとナップサックに入れる
      res += item.v
      cap -= item.w
    else
      # 残り容量が足りない場合は、現在の品物の一部だけをナップサックに入れる
      res += (item.v.to_f / item.w) * cap
      # 残り容量がないため、ループを抜ける
      break
    end
  end
  res
end
```

??? pythontutor "コードの可視化"

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組み込みのソートアルゴリズムの時間計算量は通常 $O(\log n)$、空間計算量は通常 O(\log n) または O(n) であり、具体的な値はプログラミング言語の実装に依存する。

ソートを除けば、最悪の場合は品物リスト全体を走査する必要があるため、時間計算量は $O(n)$ であり、ここで n は品物数である。

Item オブジェクトのリストを初期化しているため、空間計算量は $O(n)$ である。

3. 正しさの証明

背理法を用いる。品物 x が単位価値最大の品物であり、あるアルゴリズムで得られた最大価値を res とするが、その解には品物 x が含まれていないと仮定する。

ここでナップサックから単位重量の任意の品物を取り出し、単位重量の品物 x に置き換える。品物 x の単位価値が最大であるため、置き換え後の総価値は必ず res より大きくなる。これは res が最適解であることに矛盾し、最適解には必ず品物 x が含まれなければならないことを示す。

この解に含まれる他の品物についても、同様の矛盾を構成できる。要するに、単位価値がより大きい品物は常により良い選択である。これは貪欲戦略が有効であることを示している。

以下に示すように、品物の重さと品物の単位価値をそれぞれ二次元グラフの横軸と縦軸とみなすと、分数ナップサック問題は「有限な横軸区間で囲まれる最大面積を求める問題」に変換できる。この類比は、幾何学的な観点から貪欲戦略の有効性を理解する助けになる。

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図 15-6 分数ナップサック問題の幾何学的表現

28 KiB Raw Blame History

15.2 分数ナップサック問題

1. 貪欲戦略の決定

2. コード実装

3. 正しさの証明

28 KiB

Raw Blame History