我有一个类似于背包问题的问题,更具体地说是 multidimentional variation.
我有一堆对象都有成本,价值和类别.我需要在最大成本下对Knapsack进行优化,但在每个类别中也有特定数量的对象.
我已经成功地在C中实现了原始的背包算法,而没有关注类别.
当我尝试添加类别时,我发现我可以简单地将其视为一个多维背包问题,每个类别在新维度中的权重为0或1.
我的主要问题是,我不仅有一个最大的,例如食物类型的5个物体,但也是最小的,因为我需要5种食物类型的物体.
我无法弄清楚如何在算法中添加最小值.
显然,我可以使用一般情况,其中每个维度都有最大值和最小值,并针对总计进行优化,因为我的所有维度都只有一个范围,因此无论如何最终都会优化值.此外,我可以将值的最小值设置为零,以避免一个维度没有最小值,并且它仍然可以工作.
我在C工作,但老实说即使伪代码也没关系,我只需要算法.
显然我也需要快速,如果可能的话,快到multidimensional variation.
以下是测试用例的示例.由于这主要是一个优化问题,实例很大,但它应该适用于任何实例大小.可能的类别数和类别字段数是固定的.
你有一个最多可以容纳100个单位重量的背包,以及1000个对象的列表,每个对象都有一个值,一个重量和一个类型.你特别需要携带10种食物,15种衣物和5种工具.每个对象都有一个完全任意(但大于0)的美元值和单位的权重.我需要找到关于最大重量和每种类型物品的具体数量的值的最佳配置.
对象列表将始终包含至少一个有效配置,这意味着它将始终至少具有足够的每种类型的对象,最终在最大权重下,因此我不必计划“无应答”案件.我只需找到(可能)大量可用物品的最佳答案.
最佳答案 确切地知道每个类别中可以选择多少项是一个很大的限制因素.考虑最简单的情况,即有一个类别.您可以选择恰好N个对象来最大化成本和[v_i x_i]的值[w_i x_i]< W,其中x_i等于0或1(遵循维基百科的表示法).新约束是sum [x_i] = N.此约束可以通过在动态编程中添加另一个维度来包含在问题中,但是显式检查解决方案是否有效并且具有所需元素的数量. 香草背包问题 以下是一个简短的演示：以记忆为标准,将此解决方案作为标准0/1背包问题的解决方案：
#include <cstdio>
#include <iostream>
#include <vector>
#include <map>
#include <algorithm>
using uint = unsigned int;
template <typename T>
struct item {
T value;
uint weight;
};
template <typename T>
T knapSack(uint W, const std::vector< item<T> >& items) {
std::map< std::pair<uint, uint>, T> cache;
std::function<T(uint, uint)> recursion;
recursion = [&] (uint n, uint w) {
if (n == 0)
return 0;
auto it = cache.find(std::make_pair(n,w));
if (it != cache.end())
return it->second;
T _v = items[n-1].value;
uint _w = items[n-1].weight;
T nextv;
if (_w <= w)
nextv = std::max(_v + recursion(n-1,w-_w),recursion(n-1,w));
else
nextv = recursion(n-1,w);
cache.insert(std::make_pair(std::make_pair(n,w),nextv));
return nextv;
};
return recursion(items.size(),W);
}
我在这里的实现(使用递归lambda函数)强调可读性而不是最优性.选择索引为< N和权重之和< W是索引
template <typename T>
std::pair<T,bool> knapSackConstrained(uint W, uint K, const std::vector< item<T> >& items) {
std::map< std::tuple<uint, uint, uint>, std::pair<T,bool> > cache;
std::function<std::pair<T, bool>(uint, uint, uint)> recursion;
recursion = [&] (uint n, uint w, uint k) {
if (k > n)
return std::make_pair(0,false);
if (n == 0 || k == 0)
return std::make_pair(0,true);
auto it = cache.find(std::make_tuple(n,w,k));
if (it != cache.end())
return it->second;
T _v = items[n-1].value;
uint _w = items[n-1].weight;
T nextv;
bool nextvalid = true;
if (_w <= w) {
auto take = recursion(n-1,w-_w,k-1);
auto reject = recursion(n-1,w,k);
if (take.second and reject.second) {
nextv = std::max(_v + take.first,reject.first);
} else if (take.second) {
nextv = _v + take.first;
} else if (reject.second) {
nextv = reject.first;
} else {
nextv = 0;
nextvalid = false;
}
} else {
std::tie(nextv,nextvalid) = recursion(n-1,w,k);
}
std::pair<T,bool> p = std::make_pair(nextv,nextvalid);
cache.insert(std::make_pair(std::make_tuple(n,w,k),p));
return p;
};
return recursion(items.size(),W,K);
}
这是一个运行此代码及其输出的简单主例程：
int main(int argc, char *argv[]) {
std::vector< item<int> > items = {{60,10},{10,6},{10,6}};
int j = 13;
std::cout << "Unconstrained: " << knapSack(j,items) << std::endl;
for (uint k = 1; k <= items.size(); ++k) {
auto p = knapSackConstrained(j,k,items);
std::cout << "K = " << k << ": " << p.first;
if (p.second)
std::cout << std::endl;
else
std::cout << ", no valid solution" << std::endl;
}
return 0;
}
% OUTPUT %
Unconstrained: 60
K = 1: 60
K = 2: 20
K = 3: 0, no valid solution
由于3个权重的总和已经大于阈值,因此不可能需要全部三个的解决方案.
带有固定所需对象数的多个类别的背包问题
以上只能部分解决您的问题,因为您有多个类别而不是一个类别.但是,我相信这可以扩展到多维而无需太多额外的工作.实际上,我怀疑以下代码是多维案例的正确策略,模数错误 – 它需要一些好的测试用例进行验证.单个参数K被替换为类别编号的向量,并且项结构被赋予类别字段.基本案例必须考虑每个可能的K> N案例(对于每个类别),此外必须扩展(i-1)st权重小于W的检查以检查至少有一个项目需要更多(i-1)st类别.
#include <cstdio>
#include <iostream>
#include <vector>
#include <map>
#include <algorithm>
using uint = unsigned int;
template <typename T>
struct item {
T value;
uint weight;
uint category;
};
template <typename T>
std::pair<T,bool> knapSack(uint W, const std::vector<uint>& K, const std::vector< item<T> >& items) {
std::map< std::tuple<uint, uint, std::vector<uint> >, std::pair<T,bool> > cache;
std::function<std::pair<T, bool>(uint, uint, std::vector<uint>)> recursion;
recursion = [&] (uint n, uint w, std::vector<uint> k) {
auto it = cache.find(std::make_tuple(n,w,k));
if (it != cache.end())
return it->second;
std::vector<uint> ccount(K.size(),0);
for (uint c = 0; c < K.size(); ++c) {
for (uint i = 0; i < n; ++i) {
if (items[i].category == c)
++ccount[c];
}
}
for (uint c = 0; c < k.size(); ++c) {
if (k[c] > ccount[c]) {
auto p = std::make_pair(0,false);
cache.insert(std::make_pair(std::make_tuple(n,w,k),p));
return p;
}
}
uint sumk = 0; for (const auto& _k : k) sumk += _k;
if (n == 0 || sumk == 0) {
auto p = std::make_pair(0,true);
cache.insert(std::make_pair(std::make_tuple(n,w,k),p));
return p;
}
T _v = items[n-1].value;
uint _w = items[n-1].weight;
uint _c = items[n-1].category;
T nextv;
bool nextvalid = true;
if (_w <= w and k[_c] > 0) {
std::vector<uint> subk = k;
--subk[_c];
auto take = recursion(n-1,w-_w,subk);
auto reject = recursion(n-1,w,k);
if (take.second and reject.second) {
nextv = std::max(_v + take.first,reject.first);
} else if (take.second) {
nextv = _v + take.first;
} else if (reject.second) {
nextv = reject.first;
} else {
nextv = 0;
nextvalid = false;
}
} else {
std::tie(nextv,nextvalid) = recursion(n-1,w,k);
}
std::pair<T,bool> p = std::make_pair(nextv,nextvalid);
cache.insert(std::make_pair(std::make_tuple(n,w,k),p));
return p;
};
return recursion(items.size(),W,K);
}
int main(int argc, char *argv[]) {
std::vector< item<int> > items = {{60,10,0}, {100,20,1}, {120,30,0}, {140,35,1}, {145,40,0}, {180,45,1}, {160,50,1}, {170,55,0}};
int j = 145;
for (uint k1 = 0; k1 <= items.size(); ++k1) {
for (uint k2 = 0; k2 <= items.size(); ++k2) {
auto p = knapSack(j,std::vector<uint>({k1,k2}),items);
if (p.second)
std::cout << "K0 = " << k1 << ", K1 = " << k2 << ": " << p.first << std::endl;
}
}
return 0;
}
% OUTPUT (with comments) %
K0 = 0, K1 = 0: 0
K0 = 0, K1 = 1: 180 // e.g. {} from 0, {180} from 1
K0 = 0, K1 = 2: 340 // e.g. {} from 0, {160,180} from 1
K0 = 0, K1 = 3: 480 // e.g. {} from 0, {140,160,180} from 1
K0 = 1, K1 = 0: 170 // e.g. {170} from 0, {} from 1
K0 = 1, K1 = 1: 350 // e.g. {170} from 0, {180} from 1
K0 = 1, K1 = 2: 490 // e.g. {170} from 0, {140, 180} from 1
K0 = 1, K1 = 3: 565 // e.g. {145} from 0, {100, 140, 180} from 1
K0 = 2, K1 = 0: 315 // e.g. {145,170} from 0, {} from 1
K0 = 2, K1 = 1: 495 // e.g. {145,170} from 0, {180} from 1
K0 = 2, K1 = 2: 550 // e.g. {60,170} from 0, {140,180} from 1
K0 = 2, K1 = 3: 600 // e.g. {60,120} from 0, {100,140,180} from 1
K0 = 3, K1 = 0: 435 // e.g. {120,145,170} from 0, {} from 1
K0 = 3, K1 = 1: 535 // e.g. {120,145,170} from 0, {100} from 1
K0 = 3, K1 = 2: 605 // e.g. {60,120,145} from 0, {100,180} from 1
K0 = 4, K1 = 0: 495 // e.g. {60,120,145,170} from 0, {} from 1
对于具有两个类别的给定项目集,输出似乎是正确的,尽管我的手动检查可能未能发现某些问题[此答案的早期版本确实存在一些错误].所有未打印的案例都是没有解决方案的案例.
返回所选对象的集合
如果您希望函数返回所选对象的集合,原则上这不是障碍 – 代码变得更加混乱.最容易理解的事情就是添加一个std :: set< std :: size_t>到递归和knapSack返回的对象的元组,并存储在缓存中,表示所选对象的索引集合.每次添加新对象时,都可以扩充此集合.结果代码涉及大量复制整数集,并且可能远非最佳 – 更好的解决方案可能涉及静态布尔向量,其条目打开和关闭.但是,它有效并且有意义,所以这里是：
#include <cstdio>
#include <iostream>
#include <vector>
#include <map>
#include <set>
#include <algorithm>
using uint = unsigned int;
template <typename T>
struct item {
T value;
uint weight;
uint category;
};
template <typename T>
std::tuple<T,bool,std::set<size_t> > knapSack(uint W, std::vector<uint> K, const std::vector< item<T> >& items) {
std::map< std::tuple<uint, uint, std::vector<uint> >, std::tuple<T,bool,std::set<std::size_t> > > cache;
std::function<std::tuple<T,bool,std::set<std::size_t> >(uint, uint, std::vector<uint>&)> recursion;
recursion = [&] (uint n, uint w, std::vector<uint>& k) {
auto it = cache.find(std::make_tuple(n,w,k));
if (it != cache.end())
return it->second;
std::vector<uint> ccount(K.size(),0);
for (uint i = 0; i < n; ++i) {
++ccount[items[i].category];
}
for (uint c = 0; c < k.size(); ++c) {
if (k[c] > ccount[c]) {
auto p = std::make_tuple(0,false,std::set<std::size_t>{});
cache.insert(std::make_pair(std::make_tuple(n,w,k),p));
return p;
}
}
uint sumk = 0; for (const auto& _k : k) sumk += _k;
if (n == 0 || sumk == 0) {
auto p = std::make_tuple(0,true,std::set<std::size_t>{});
cache.insert(std::make_pair(std::make_tuple(n,w,k),p));
return p;
}
T _v = items[n-1].value;
uint _w = items[n-1].weight;
uint _c = items[n-1].category;
T nextv;
bool nextvalid = true;
std::set<std::size_t> nextset;
if (_w <= w and k[_c] > 0) {
--k[_c];
auto take = recursion(n-1,w-_w,k);
++k[_c];
auto reject = recursion(n-1,w,k);
T a = _v + std::get<0>(take);
T b = std::get<0>(reject);
if (std::get<1>(take) and std::get<1>(reject)) {
nextv = std::max(a,b);
if (a > b) {
nextset = std::get<2>(take);
nextset.insert(n-1);
} else {
nextset = std::get<2>(reject);
}
} else if (std::get<1>(take)) {
nextv = a;
nextset = std::get<2>(take);
nextset.insert(n-1);
} else if (std::get<1>(reject)) {
nextv = b;
nextset = std::get<2>(reject);
} else {
nextv = 0;
nextvalid = false;
nextset = {};
}
} else {
std::tie(nextv,nextvalid,nextset) = recursion(n-1,w,k);
}
auto p = std::make_tuple(nextv,nextvalid,nextset);
cache.insert(std::make_pair(std::make_tuple(n,w,k),p));
return p;
};
return recursion(items.size(),W,K);
}
int main(int argc, char *argv[]) {
std::vector< item<int> > items = {{60,10,0}, {100,20,1}, {120,30,0}, {140,35,1}, {145,40,0}, {180,45,1}, {160,50,1}, {170,55,0}};
int j = 145;
for (uint k1 = 0; k1 <= items.size(); ++k1) {
for (uint k2 = 0; k2 <= items.size(); ++k2) {
auto p = knapSack(j,std::vector<uint>({k1,k2}),items);
if (std::get<1>(p)) {
std::cout << "K0 = " << k1 << ", K1 = " << k2 << ": " << std::get<0>(p);
std::cout << "; contents are {";
for (const auto& index : std::get<2>(p))
std::cout << index << ", ";
std::cout << "}" << std::endl;
}
}
}
return 0;
}
这个的输出是
K0 = 0, K1 = 0: 0; contents are {}
K0 = 0, K1 = 1: 180; contents are {5, }
K0 = 0, K1 = 2: 340; contents are {5, 6, }
K0 = 0, K1 = 3: 480; contents are {3, 5, 6, }
K0 = 1, K1 = 0: 170; contents are {7, }
K0 = 1, K1 = 1: 350; contents are {5, 7, }
K0 = 1, K1 = 2: 490; contents are {3, 5, 7, }
K0 = 1, K1 = 3: 565; contents are {1, 3, 4, 5, }
K0 = 2, K1 = 0: 315; contents are {4, 7, }
K0 = 2, K1 = 1: 495; contents are {4, 5, 7, }
K0 = 2, K1 = 2: 550; contents are {0, 3, 5, 7, }
K0 = 2, K1 = 3: 600; contents are {0, 1, 2, 3, 5, }
K0 = 3, K1 = 0: 435; contents are {2, 4, 7, }
K0 = 3, K1 = 1: 535; contents are {1, 2, 4, 7, }
K0 = 3, K1 = 2: 605; contents are {0, 1, 2, 4, 5, }
K0 = 4, K1 = 0: 495; contents are {0, 2, 4, 7, }
算法复杂性
这不是我的强项,但我相信运行时复杂度是假多项式,因为该算法与标准背包算法非常相似.
