Задача о рюкзаке

Задача:

Задача о рюкзаке (англ. Knapsack problem) — дано [math]N[/math] предметов, [math]n_i[/math] предмет имеет массу [math] w_i \gt 0[/math] и стоимость [math] p_i \gt 0[/math]. Необходимо выбрать из этих предметов такой набор, чтобы суммарная масса не превосходила заданной величины [math]W[/math] (вместимость рюкзака), а суммарная стоимость была максимальна.

Формулировка задачи

Дано [math]N[/math] предметов, [math]W[/math] — вместимость рюкзака, [math]w=\{w_{1},w_{2},\dots,w_{N}\}[/math] — соответствующий ему набор положительных целых весов, [math]p=\{p_{1},p_{2},\dots,p_{N}\}[/math] — соответствующий ему набор положительных целых стоимостей. Нужно найти набор бинарных величин [math]B=\{b_{1},b_{2},\dots,b_{N}\}[/math], где [math]b_{i} = 1 [/math], если предмет [math]n_i[/math] включен в набор, [math] b_{i} = 0 [/math], если предмет [math]n_i[/math] не включен, и такой что:

1. [math]b_{1} w_{1}+ \dots + b_{N} w_{N} \leqslant W[/math]
2. [math]b_{1} p_{1}+ \dots + b_{N} p_{N} [/math] максимальна.

Варианты решения

Задачу о рюкзаке можно решить несколькими способами:

• Перебирать все подмножества набора из N предметов. Сложность такого решения [math]O({2^{N}})[/math].

• Методом Meet-in-the-middle. Сложность решения [math] O({2^{N/2}}{N}) [/math]

• Метод динамического программирования. Сложность — [math]O(NW)[/math].

Метод динамического программирования

Пусть [math]A(k, s)[/math] есть максимальная стоимость предметов, которые можно уложить в рюкзак вместимости [math]s[/math], если можно использовать только первые [math]k[/math] предметов, то есть [math]\{n_1,n_2,\dots,n_k\}[/math], назовем этот набор допустимых предметов для [math]A(k,s)[/math].

[math]A(k, 0) = 0[/math]

[math]A(0, s) = 0[/math]

Найдем [math]A(k, s)[/math]. Возможны 2 варианта:

1. Если предмет [math]k[/math] не попал в рюкзак. Тогда [math]A(k, s)[/math] равно максимальной стоимости рюкзака с такой же вместимостью и набором допустимых предметов [math]\{n_1,n_2,\dots,n_{k-1}\}[/math], то есть [math]A(k,s) = A(k-1, s)[/math]
2. Если [math]k[/math] попал в рюкзак. Тогда [math]A(k, s)[/math] равно максимальной стоимости рюкзака, где вес [math]s[/math] уменьшаем на вес [math]k[/math]-ого предмета и набор допустимых предметов [math]\{n_1,n_2,\dots,n_{k-1}\}[/math] плюс стоимость [math]k[/math], то есть [math]A(k-1, s-w_k) + p_k[/math]

[math] A(k, s) = \begin{cases} A(k-1, s), & b_k = 0 \\ A(k-1, s-w_k) + p_k, & b_k = 1 \\ \end{cases} [/math]

То есть: [math]A(k,s) = \max(A(k-1,s), A(k-1,s-w_{k}) + p_{k})[/math]

Стоимость искомого набора равна [math]A(N,W)[/math], так как нужно найти максимальную стоимость рюкзака, где все предметы допустимы и вместимость рюкзака [math]W[/math].

Восстановим набор предметов, входящих в рюкзак

Будем определять, входит ли [math]n_i[/math] предмет в искомый набор. Начинаем с элемента [math]A(i,w)[/math], где [math]i = N[/math], [math]w = W[/math]. Для этого сравниваем [math]A(i,w)[/math] со следующими значениями:

1. Максимальная стоимость рюкзака с такой же вместимостью и набором допустимых предметов [math]\{n_1,n_2,\dots,n_{i-1}\}[/math], то есть [math]A(i-1, w)[/math]
2. Максимальная стоимость рюкзака с вместимостью на [math]w_i[/math] меньше и набором допустимых предметов [math]\{n_1,n_2,\dots,n_{i-1}\}[/math] плюс стоимость [math]p_i[/math], то есть [math]A(i-1, w-w_i)+p_i[/math]

Заметим, что при построении [math]A[/math] мы выбирали максимум из этих значений и записывали в [math]A(i, w)[/math]. Тогда будем сравнивать [math]A(i, w)[/math] c [math]A(i-1, w)[/math], если равны, тогда [math]n_i[/math] не входит в искомый набор, иначе входит.

Метод динамического программирование всё равно не позволяет решать задачу за полиномиальное время, потому что задача о ранце (или задача о рюкзаке) — одна из NP-полных задач комбинаторной оптимизации.

Реализация

Сначала генерируем [math]A[/math].

for i = 0 to w
  A[0][i] = 0
for i = 0 to n
  A[i][0] = 0                                               //Первые элементы приравниваем к 0
for k = 1 to n               
  for s = 1 to w                                            //Перебираем для каждого k все вместимости 
    if s >= w[k]                                            //Если текущий предмет вмещается в рюкзак 
      A[k][s] = max(A[k - 1][s], A[k - 1][s - w[k]] + p[k]) //Выбираем класть его или нет 
    else 
      A[k][s] = A[k - 1][s]                                 //Иначе, не кладем 

Затем найдем набор [math]ans[/math] предметов, входящих в рюкзак, рекурсивной функцией:

function findAns(int k, int s)
  if A[k][s] == 0 
    return
  if A[k - 1][s] == A[k][s]
    findAns(k - 1, s)
  else 
    findAns(k - 1, s - w[k])
    ans.push(k)

Сложность алгоритма [math]O(NW)[/math]

Пример

[math]W = 13, N = 5[/math]

[math]w_{1} = 3, p_{1} = 1 [/math]

[math]w_{2} = 4, p_{2} = 6 [/math]

[math]w_{3} = 5, p_{3} = 4 [/math]

[math]w_{4} = 8, p_{4} = 7 [/math]

[math]w_{5} = 9, p_{5} = 6 [/math]

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
k = 0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
k = 1	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
k = 2	0	0	1	6	6	6	7	7	7	7	7	7	7
k = 3	0	0	1	6	6	6	7	7	10	10	10	11	11
k = 4	0	0	1	6	6	6	7	7	10	10	10	13	13
k = 5	0	0	1	6	6	6	7	7	10	10	10	13	13

Числа от 0 до 13 в первой строчке обозначают вместимость рюкзака.

В первой строке как только вместимость рюкзака [math]n \geqslant 3[/math], добавляем в рюкзак 1 предмет.

Рассмотрим [math]k = 3[/math], при каждом [math]s \geqslant 5 ([/math]так как [math]w_3 = 5)[/math] сравниваем [math]A[k-1][s][/math] и [math]A[k-1][s-w_3]+p_3[/math] и записываем в [math]A[k][s][/math] стоимость либо рюкзака без третьего предмета, но с таким же весом, либо с третьим предметом, тогда стоимость равна стоимости третьего предмета плюс стоимость рюкзака с вместимостью на [math]w_3[/math] меньше.

Максимальная стоимость рюкзака находится в [math]A(5, 13)[/math].

Восстановление набора предметов, из которых состоит максимально дорогой рюкзак.

Начиная с [math]A(5, 13)[/math] восстанавливаем ответ. Будем идти в обратном порядке по [math]k[/math]. Красным фоном обозначим наш путь

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
k = 0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
k = 1	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
k = 2	0	0	1	6	6	6	7	7	7	7	7	7	7
k = 3	0	0	1	6	6	6	7	7	10	10	10	11	11
k = 4	0	0	1	6	6	6	7	7	10	10	10	13	13
k = 5	0	0	1	6	6	6	7	7	10	10	10	13	13

Таким образом, в набор входит [math]2[/math] и [math]4[/math] предмет.

Стоимость рюкзака: [math] 6 + 7 = 13[/math]

Вес рюкзака: [math] 4 + 8 = 12[/math]

Другие задачи семейства

Ограниченный рюкзак

Задача:

Ограниченный рюкзак (англ. Bounded Knapsack Problem) — обобщение классической задачи, когда любой предмет может быть взят некоторое количество раз.

Формулировка Задачи

Каждый предмет может быть выбран ограниченное [math]b_i[/math] число раз. Задача выбрать число [math]x_i[/math] предметов каждого типа так, чтобы

• максимизировать общую стоимость: [math]\sum_{i=1}^N p_ix_i[/math];

• выполнялось условие совместности: [math]\sum_{i=1}^N w_ix_i \leqslant W[/math];

где [math] x_i \in (0,1,\dots,b_i)[/math] для всех [math] i= 1,2,\dots,N[/math].

Варианты решения

При небольших [math]b_i[/math] решается сведением к классической задаче о рюкзаке. В иных случаях:

• Методом ветвей и границ.
• Методом динамического программирования.

Метод динамического программирования

Пусть [math]d(i,c)[/math] максимальная стоимость любого возможного числа предметов типов от 1 до [math]i[/math], суммарным весом до [math]c[/math].

Заполним [math]d(0,c)[/math] нулями.

Тогда меняя i от 1 до [math]N[/math], рассчитаем на каждом шаге [math]d(i,c)[/math], для [math]c[/math] от 1 до [math]W[/math], по рекуррентной формуле:

[math]d(i,c) = \max(d(i - 1, c - lw_i) + lp_i) [/math] по всем целым [math] l [/math] из промежутка [math] 0 \leqslant l \leqslant min(b_i,\lfloor c/w_i \rfloor)[/math].

Если не нужно восстанавливать ответ, то можно использовать одномерный массив [math]d(c)[/math] вместо двумерного.

После выполнения в [math] d(N,W) [/math] будет лежать максимальная стоимость предметов, помещающихся в рюкзак.

Реализация

for i = 0 to w                               //База
  d[0][i] = 0
for i = 1 to n             
  for c = 1 to w                             //Перебираем для каждого i, все вместимости 
    d[i][c] = d[i - 1][c]
    for l = min(b[i], c / w[i]) downto 1     //Ищем l для которого выполняется максимум 
        d[i][c] =  max(d[i][c], d[i - 1][c - l * w[i]] + p[i] * l)

Сложность алгоритма [math]O(NW^2)[/math].

Неограниченный рюкзак

Задача:

Неограниченный рюкзак (англ.Unbounded Knapsack Problem) — обобщение ограниченного рюкзака, в котором любой предмет может быть выбран любое количество раз.

Формулировка Задачи

Каждый предмет может быть выбран любое число раз. Задача выбрать количество [math]x_i[/math] предметов каждого типа так, чтобы

• максимизировать общую стоимость: [math]\sum_{i=1}^N p_ix_i[/math];

• выполнялось условие совместности: [math]\sum_{i=1}^N w_ix_i \leqslant W[/math];

где [math] x_i \geqslant 0 [/math] целое, для всех [math] i= 1,2,\dots,N[/math].

Варианты решения

Самые распространенные методы точного решения это:

• Метод ветвей и границ.
• Метод динамического программирования.

Метод динамического программирования

Пусть [math]d(i,c)[/math] - максимальная стоимость любого количества вещей типов от 1 до [math]i[/math], суммарным весом до [math]c[/math] включительно.

Заполним [math]d(0,c)[/math] нулями.

Тогда меняя i от 1 до [math]N[/math], рассчитаем на каждом шаге [math]d(i,c)[/math], для [math]c[/math] от 0 до [math]W[/math], по рекуррентной формуле:

[math] d(i,c) = \begin{cases} d(i - 1, c) & for\ c = 0, \dots, w_i - 1; \\ \max(d(i - 1, c), d(i, c - w_i) + p_i) & for\ c = w_i, \dots, W; \end{cases} [/math]

После выполнения в [math] d(N,W) [/math] будет лежать максимальная стоимость предметов, помещающихся в рюкзак.

Если не нужно восстанавливать ответ, то можно использовать одномерный массив [math]d(c)[/math] вместо двумерного и использовать формулу:

[math] d(c) = \max(d(c), d(c - w_i) + p_i) [/math];

Сложность алгоритма [math]O(NW)[/math].

Непрерывный рюкзак

Задача:

Непрерывный рюкзак (англ. Continuous knapsack problem) — вариант задачи, в котором возможно брать любую дробную часть от предмета, при этом удельная стоимость сохраняется.

Формулировка Задачи

Задача выбрать часть [math]x_i[/math] каждого предмета так, чтобы

• максимизировать общую стоимость: [math]\sum_{i=1}^N p_ix_i[/math];

• выполнялось условие совместности: [math]\sum_{i=1}^N w_ix_i \leqslant W[/math];

где [math] 0 \leqslant x_i \leqslant 1[/math] дробное, для всех [math] i= 1,2,\dots,N[/math].

Варианты решения

Возможность брать любую часть от предмета сильно упрощает задачу. Жадный алгоритм дает оптимальное решение в данном случае.

Реализация

sort()                        //Сортируем в порядке убывания удельной стоимости.

for i = 1 to n                //Идем по предметам             
  if w > w[i]                 //Если помещается — берем
    sum += p[i]
    w -= w[i]
  else
    sum += w / w[i] * p[i]    //Иначе берем сколько можно и выходим
    break

Задача о суммах подмножеств

Задача:

Задача о суммах подмножеств (англ. Subset sum problem, Value Independent Knapsack Problem) — задача из семейства, в которой стоимость предмета совпадает с его весом.

Формулировка Задачи

Нужно выбрать подмножество так, чтобы сумма ближе всего к [math]W[/math], но не превысила его. Формально, нужно найти набор бинарных величин [math]x_i[/math], так чтобы

• максимизировать общую стоимость: [math]\sum_{i=1}^N w_ix_i[/math];

• выполнялось условие совместности: [math]\sum_{i=1}^N w_ix_i \leqslant W[/math];

[math] x_j = 1 [/math] если [math] j[/math] предмет назначен рюкзаку, иначе [math] x_{ij} = 0 [/math], для всех [math] i= 1,2,\dots,N[/math].

Варианты решения

Для решения пригодны любые методы применяемые для классической задачи, однако специализированые алгоритмы обычно более оптимальны по параметрам. Используются:

• Метод динамического программирования.
• Гибридный метод на основе динамического программирования и поиска по дереву. В худшем случае, работает за [math] O(n) [/math].

Метод динамического программирования

Пусть [math]d(i,c)[/math] максимальная сумма [math]\leqslant c[/math], подмножества взятого из [math] 1, \dots,\ i[/math] элементов.

Заполним [math]d(0,c)[/math] нулями.

Тогда меняя i от 1 до [math]N[/math], рассчитаем на каждом шаге [math]d(i,c)[/math], для [math]c[/math] от 0 до [math]W[/math], по рекуррентной формуле:

[math] d(i,c) = \begin{cases} d(i - 1, c) & for\ c = 0, \dots, w_i - 1; \\ \max(d(i - 1, c), d(i - 1, c - w_i) + w_i) & for\ c = w_i, \dots, W; \end{cases} [/math]

После выполнения в [math] d(N,W) [/math] будет лежать максимальная сумма подмножества, не превышающая заданное значение.

Сложность алгоритма [math]O(NW)[/math].

Задача о размене

Задача:

Задача о размене (англ. Change-Making problem) — имеются [math] N [/math] неисчерпаемых типов предметов с весами [math]w_i[/math]. Нужно наполнить рюкзак предметами с суммарным весом [math]W[/math].

Часто задачу ставят как, дать сдачу наименьшим количеством монет.

Формулировка Задачи

Каждый предмет может быть выбран любое число раз. Задача выбрать количество [math]x_i[/math] предметов каждого типа так, чтобы

• минимизировать количество взятых предметов: [math]\sum_{i=1}^N x_i[/math];

• сумма весов выбранных предметов равнялась вместимости рюкзака: [math]\sum_{i=1}^N w_ix_i = W[/math];

Где [math] x_i \geqslant 0 [/math] целое, для всех [math] i= 1,2,\dots,N[/math].

Варианты решения

Самые распространенные методы точного решения это:

• Метод ветвей и границ.
• Метод динамического программирования.

Метод динамического программирования

Пусть [math]d(i,c)[/math] минимальное число предметов, типов от 1 до [math]i[/math], необходимое, чтобы заполнить рюкзак вместимостью [math]c[/math].

Пусть [math]d(0,0) = 0[/math], а [math]d(0,c) = \inf[/math] для всех [math]c \gt 0[/math].

Тогда меняя i от 1 до [math]N[/math], рассчитаем на каждом шаге [math]d(i,c)[/math], для [math]c[/math] от 0 до [math]W[/math], по рекуррентной формуле:

[math] d(i,c) = \begin{cases} d(i - 1, c) & for\ c = 0, \dots, w_i - 1; \\ min(d(i - 1, c), d(i, c - w_i) + 1) & for\ c = w_i, \dots, W; \end{cases} [/math]

После выполнения в [math] d(N,W) [/math] будет лежать максимальная стоимость предметов, помещающихся в рюкзак.

Если не нужно восстанавливать ответ, то можно использовать одномерный массив [math]d(c)[/math] вместо двумерного и использовать формулу:

[math] d(c) = min(d(c), d(c - w_i) + 1) \qquad for\ c = w_i, \dots, W[/math].

Сложность алгоритма [math]O(NW)[/math].

Задача об упаковке

Задача:

Задача об упаковке (англ. Bin Packing Problem) — имеются [math] N [/math] рюкзаков вместимости [math] W [/math] и столько же предметов с весами [math]w_i[/math]. Нужно распределить все предметы, задействовав минимальное количество рюкзаков.

Формулировка Задачи

Математически задачу можно представить так:

• минимизировать количество рюкзаков: [math]\sum_{i=1}^N y_i[/math];

• так чтобы выполнялось условие на совместность: [math]\sum_{i=1}^N w_ix_{ij} \leqslant Wy_j \qquad j \in {1, \dots, N}[/math];

[math] x_{ij} = 1 [/math] если [math] j[/math] предмет назначен [math]i [/math] рюкзаку. Иначе [math] x_{ij} = 0 [/math].

[math] y_i = 1 [/math] если [math] i[/math] рюкзак используется. Иначе [math] y_i = 0 [/math].

Варианты решения

Применение динамического программирования нецелесообразно. Обычно применяют аппроксимационные алгоритмы, либо используют метод ветвей и границ.

Мультипликативный рюкзак

Задача:

Мультипликативный рюкзак (англ. Multiple Knapsack Problem) — есть [math]N[/math] предметов и [math]M[/math] рюкзаков ([math]M\leqslant N[/math]). У каждого рюкзака своя вместимость [math]W_i[/math]. Задача: выбрать [math]M[/math] не пересекающихся множеств, назначить соответствие рюкзакам так, чтобы суммарная стоимость была максимальна, а вес предметов в каждом рюкзаке не превышал его вместимость.

Формулировка Задачи

Максимизировать [math]\sum_{i=1}^M \sum_{j=1}^{N} p_jx_{ij}[/math]

так, чтобы [math]\sum_{i=1}^N w_jx_{ij} \leqslant W_i[/math] выполнялось для всех [math] i= 1,2,\dots,N[/math].

[math]\sum_{j=1}^{M}x_{ij}=1[/math] для всех [math] i= 1,2,\dots,N[/math].

[math] x_{ij} = 1 [/math] если [math] j[/math] предмет назначен [math]i [/math] рюкзаку. Иначе [math] x_{ij} = 0 [/math].

Варианты решения

Применение динамического программирования, для задач данного типа нецелесообразно. Используются вариации метода ветвей и границ.

Задача о назначении

Задача:

Задача о назначении (англ. Generalized Assignment Problem) — Наиболее общая задача семейства. Отличается от мультипликативного рюкзака тем, что каждый предмет имеет различные характеристики в зависимости от рюкзака, куда его помещают. Есть [math]N[/math] предметов и [math]M[/math] рюкзаков ([math]M\leqslant N[/math]). У каждого рюкзака своя вместимость [math]W_i[/math], у [math] j [/math] предмета [math] p_{ij} [/math] стоимость и вес, при помещении его в [math] i [/math] рюкзак, равны [math] p_{ij} [/math] и [math] w_{ij} [/math] соответственно.

Весьма важная задача, так как она моделирует оптимальное распределение различных задач между вычислительными блоками.

Формулировка Задачи

Максимизировать стоимость выбранных предметов [math]\sum_{i=1}^M\sum_{j=1}^N p_{ij} x_{ij}[/math],

при выполнении условия совместности [math]\sum_{j=1}^N w_{ij} x_{ij} \leqslant W_i \qquad i=1, \ldots, M[/math].

[math] \sum_{i=1}^M x_{ij} \leqslant 1 \qquad j=1, \ldots, N[/math].

[math] x_{ij} \in \{0,1\} \qquad i=1, \ldots, N, \quad j=1, \ldots, N[/math].

Варианты решения

Применение динамического программирования нецелесообразно. Наиболее используем метод ветвей и границ.

См. также

• Класс NP
• Метод четырех русских для умножения матриц
• Задача о редакционном расстоянии, алгоритм Вагнера-Фишера
• Meet-in-the-middle

Источники информации

• Дистанционная подготовка по информатике
• Код для нескольких задач семейства на всевозможных языках
• David Pisinger Knapsack problems. — 1995
• Silvano Martello, Paolo Toth. Knapsack Problems: Algorithms and Computer Implementations — 1990 г. — ISBN 0-471-92420-2