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C++回溯與分支限界算法分別解決背包問題詳解

 更新時間:2022年06月30日 09:37:55   作者:成就一億技術(shù)人  
給定n種物品和一背包。物品i的重量是wi,其價值為vi,背包的容量為C。問應如何選擇裝入背包的物品,使得裝入背包中物品的總價值最大?下面我們分別用回溯與分支限界方法解決

算法思想

分支限界法與回溯法的求解目標不同。

回溯法的求解目標是找出解空間中滿足約束條件的所有解,而分支限界法的求解目標則是找出滿足約束條件的一個解,或是在滿足約束條件的解中找出使某一目標函數(shù)值達到極大或極小的解,即在某種意義下的最優(yōu)解。

由于求解目標不同,導致分支限界法與回溯法對解空間的搜索方式也不相同。

回溯法以深度優(yōu)先的方式搜索解空間,而分支限界法則以廣度優(yōu)先或以最小耗費優(yōu)先的方式搜索解空間。

回溯法對解空間做深度優(yōu)先搜索時,有遞歸回溯和迭代回溯(非遞歸)兩種方法,但一般情況下用遞歸方法實現(xiàn)回溯法。

常見的兩種分支限界法

 先進先出(FIFO)隊列式:在先進先出的分支限界法中,用隊列作為組織活結(jié)點表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),并按照隊列先進先出的原則選擇結(jié)點作為擴展結(jié)點。  

   優(yōu)先隊列(PQ):用優(yōu)先隊列作為組織活結(jié)點表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

回溯代碼

#include<stdio.h>
int n,c,bestp;//物品的個數(shù),背包的容量,最大價值
int p[10000],w[10000],x[10000],bestx[10000];//物品的價值,物品的重量,x[i]暫存物品的選中情況,物品的選中情況
void Backtrack(int i,int cp,int cw)
{ //cw當前包內(nèi)物品重量,cp當前包內(nèi)物品價值
    int j;
    if(i>n)//回溯結(jié)束
    {
        if(cp>bestp)
        {
            bestp=cp;
            for(i=0;i<=n;i++) bestx[i]=x[i];
        }
    }
    else 
        for(j=0;j<=1;j++)  
        {
            x[i]=j;
            if(cw+x[i]*w[i]<=c)  
            {
                cw+=w[i]*x[i];
                cp+=p[i]*x[i];
                Backtrack(i+1,cp,cw);
                cw-=w[i]*x[i];
                cp-=p[i]*x[i];
            }
        }
}
int main()
{
    int i;
    bestp=0; 
    printf("請輸入背包最大容量:\n");
    scanf("%d",&c);
    printf("請輸入物品個數(shù):\n");
    scanf("%d",&n);
    printf("請依次輸入物品的重量:\n");
    for(i=1;i<=n;i++) 
        scanf("%d",&w[i]);
    printf("請依次輸入物品的價值:\n");
    for(i=1;i<=n;i++) 
        scanf("%d",&p[i]);
    Backtrack(1,0,0);
    printf("最大價值為:\n");
    printf("%d\n",bestp);
    printf("被選中的物品依次是(0表示未選中,1表示選中)\n");
    for(i=1;i<=n;i++) 
        printf("%d ",bestx[i]);
    printf("\n");
    return 0;
}

回溯結(jié)果

分支限界代碼

#include<iostream>
#include<queue>
using namespace std;
const int maxn=99; 
int n,c;
int w[maxn];
int v[maxn];
int bestv=0;
int bestx[maxn];
int total=1;        //解空間中的節(jié)點數(shù)累計,全局變量 
struct nodetype        //隊列中的結(jié)點類型
{
    int no;            //結(jié)點編號,從1開始 
    int i;            //當前結(jié)點在搜索空間中的層次 
    int w;            //當前結(jié)點的總重量 
    int v;            //當前結(jié)點的總價值 
    int x[maxn];    //當前結(jié)點包含的解向量 
    double ub;        //上界 
};
void input()
{
    cout<<"請輸入物品的個數(shù):"<<endl;
    cin>>n;
    cout<<"請輸入每個物品的重量及價值(如5 4):"<<endl;
    for(int i = 1; i <= n; i++)
    {
        cin>>w[i]>>v[i];
    }
    cout<<"請輸入背包的容量:"<<endl;
    cin>>c;
}
void bound(nodetype &e)        //計算分支結(jié)點e的上界 
{
    int i=e.i+1;        //考慮結(jié)點e的余下物品
    int sumw=e.w;
    double sumv=e.v;
    while((sumw+w[i]<=c)&&i<=n) 
    {
        sumw+=w[i];
        sumv+=v[i];
        i++;
    }
    if(i<=n)            //余下物品只能部分裝入 
    e.ub=sumv+(c-sumw)*v[i]/w[i];
    else e.ub=sumv; 
} 
void enqueue(nodetype e,queue<nodetype> &qu)
//結(jié)點e進隊qu 
{
    if(e.i==n)                //到達葉子節(jié)點,不在擴展對應一個解 
    {
        if(e.v>bestv)        //找到更大價值的解 
        {
            bestv=e.v;
            for(int j=1;j<=n;j++)
            bestx[j]=e.x[j];
        }
    }
    else qu.push(e);        //非葉子結(jié)點進隊
} 
void bfs()
{
    int j;
    nodetype e,e1,e2;
    queue<nodetype> qu;
    e.i=0;
    e.w=0;
    e.v=0;
    e.no=total++;
    for(j=1;j<=n;j++)
    e.x[j]=0;
    bound(e);
    qu.push(e);
    while(!qu.empty())
    {
        e=qu.front();qu.pop();    //出隊結(jié)點e 
        if(e.w+w[e.i+1]<=c)        //剪枝,檢查左孩子結(jié)點 
        {
            e1.no=total++;        //建立左孩子結(jié)點 
            e1.i=e.i+1;
            e1.w=e.w+w[e1.i];
            e1.v=e.v+v[e1.i];
            for(j=1;j<=n;j++)
            e1.x[j]=e.x[j];
            e1.x[e1.i]=1;
            bound(e1);        //求左孩子的上界 
            enqueue(e1,qu);    //左孩子結(jié)點進隊 
        }
        e2.no=total++;
        e2.i=e.i+1;
        e2.w=e.w;
        e2.v=e.v; 
        for(j=1;j<=n;j++)
            e2.x[j]=e.x[j];
        e2.x[e2.i]=0;
        bound(e2);
        if(e2.ub>bestv)        //若右孩子結(jié)點可行,則進隊,否則被剪枝 
        enqueue(e2,qu);    
    }
} 
void output()
{
    cout<<"最優(yōu)值是:"<<bestv<<endl;
    cout<<"(";
    for(int i=1;i<=n;i++)
        cout<<bestx[i]<<" ";
    cout<<")";
}
int main()
{
    input();
    bfs();
    output();
    return 0;
 } 

分支限界結(jié)果

到此這篇關(guān)于C++回溯與分支限界算法分別解決背包問題詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++背包問題內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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