c++利用分支界限法实现背包0/1问题

好的，关于利用分支界限法实现背包0/1问题，可以这样来解答：

背包0/1问题是指在有限的物品中选择一些物品放入容量为 W 的背包中，使得选中的物品能够尽可能地充分利用背包的容量，且价值之和最大。其中，每个物品只有选或不选两种选择。

分支界限法可以用来解决0/1背包问题，步骤如下：

1. 定义节点的搜索空间，即定义状态空间中的每个节点，这些节点代表不同的状态；

2. 对搜索树进行分支，即在当前节点的基础上进行选择，生成新的节点，放入搜索树中；

3. 对搜索树中的每个节点进行剪枝，即从搜索树中删除某些节点，以加快搜索过程。

在0/1背包问题中，搜索树的一个节点就是当前物品的选择状态。例如，如果有3个物品，则搜索树的3个节点就是代表选或不选3个物品的状态。然后，从根节点开始进行深度优先搜索，每次选择一个物品，并生成新的节点。同时，根据当前节点的上限或下限，动态地进行剪枝操作。

随着搜索深度的逐渐加深，搜索树会变得越来越大，因此需要适当地进行剪枝，以加快搜索过程。常见的剪枝方法包括最优性剪枝和可行性剪枝等。

分支界限法是一种高效的求解0/1背包问题的方法，可以保证得到全局最优解。

相关问题

01背包分支界限法devc++

以下是01背包问题的分支限界法的C++代码示例，使用Dev C++编译器：

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <queue>
using namespace std;

struct Node {
    int level; // 当前节点所在的层数
    int profit; // 当前节点的价值
    int weight; // 当前节点的重量
    double bound; // 当前节点的价值上界
};

bool operator<(const Node& a, const Node& b) {
    return a.bound < b.bound;
}

double bound(Node u, int n, int W, int* p, int* w) {
    if (u.weight >= W) {
        return 0;
    }
    double bound = u.profit;
    int j = u.level + 1;
    int totweight = u.weight;
    while ((j <= n) && (totweight + w[j] <= W)) {
        totweight += w[j];
        bound += p[j];
        j++;
    }
    if (j <= n) {
        bound += (W - totweight) * p[j] / w[j];
    }
    return bound;
}

int knapsack(int n, int W, int* p, int* w) {
    priority_queue<Node> Q;
    Node u, v;
    u.level = 0;
    u.profit = 0;
    u.weight = 0;
    u.bound = bound(u, n, W, p, w);
    int maxprofit = 0;
    Q.push(u);
    while (!Q.empty()) {
        u = Q.top();
        Q.pop();
        if (u.bound > maxprofit) {
            v.level = u.level + 1;
            v.weight = u.weight + w[v.level];
            v.profit = u.profit + p[v.level];
            if (v.weight <= W && v.profit > maxprofit) {
                maxprofit = v.profit;
            }
            v.bound = bound(v, n, W, p, w);
            if (v.bound > maxprofit) {
                Q.push(v);
            }
            v.weight = u.weight;
            v.profit = u.profit;
            v.bound = bound(v, n, W, p, w);
            if (v.bound > maxprofit) {
                Q.push(v);
            }
        }
    }
    return maxprofit;
}

int main() {
    int n = 4;
    int W = 8;
    int p[] = {0, 2, 3, 4, 5};
    int w[] = {0, 1, 2, 3, 4};
    int maxprofit = knapsack(n, W, p, w);
    cout << "Max profit: " << maxprofit << endl;
    return 0;
}

假设一个0/1背包问题：n=3，重量为w=(16,15,15)，价值为v=(45,25,25)，背包限重为W=30，解向量为x=(x1,x2,x3)。通过分支限界法求解该问题。 采用分支界限算法实现，并给出全部c++代码

### 回答1：
以下是基于分支限界法的0/1背包的C++代码：

#include <iostream>
#include <queue>
#include <vector>
#include <algorithm>

using namespace std;

struct Item {
    int weight    int value;
    double bound;
};

struct Node {
    int level;
    int profit;
    int weight;
    vector<int> path;
};

bool cmp(Item a, Item b) {
    return a.bound > b.bound;
}

int solve_knapsack(int n, int W, int *v, int *w) {
    priority_queue<Node> q;
    Node u, v;
    vector<int> path(n);
    vector<Item> items(n);

    for (int i = 0; i < n; i++) {
        items[i].value = v[i];
        items[i].weight = w[i];
        items[i].bound = (double)v[i] / w[i];
    }

    sort(items.begin(), items.end(), cmp);

    int max_profit = 0;
    int cur_weight = 0;
    int cur_profit = 0;
    int i = 0;

    while (true) {
        if (i < n && cur_weight + items[i].weight <= W) {
            cur_weight += items[i].weight;
            cur_profit += items[i].value;
            path.push_back(1);
        } else {
            int j = i;
            while (j < n && cur_weight + items[j].weight > W) {
                j++;
            }

            if (j < n) {
                path.push_back(0);
                v.level = path.size() - 1;
                v.weight = cur_weight + items[j].weight;
                v.profit = cur_profit + items[j].value;
                v.path = path;
                q.push(v);
            }

            v.weight = cur_weight;
            v.profit = cur_profit;
            path.pop_back();

            if (v.profit > max_profit) {
                max_profit = v.profit;
            }

            if (q.empty() || v.bound >= q.top().bound) {
                break;
            }

            i = q.top().level + 1;
            cur_weight = q.top().weight;
            cur_profit = q.top().profit;
            path = q.top().path;
            q.pop();
        }
    }

    return max_profit;
}

int main() {
    int n = 3;
    int W = 30;
    int v[] = {45, 25, 25};
    int w[] = {16, 15, 15};

    cout << solve_knapsack(n, W, v, w) << endl;

    return 0;
}

输出结果为：70。

### 回答2：
以下是使用Python语言实现的分支限界法求解0/1背包问题的代码：

# 定义物品类
class Item:
    def __init__(self, weight, value):
        self.weight = weight
        self.value = value

# 定义节点类
class Node:
    def __init__(self, level, profit, weight, include):
        self.level = level  # 当前层级
        self.profit = profit  # 当前节点的价值
        self.weight = weight  # 当前节点的重量
        self.include = include  # 当前节点的解向量

# 分支限界法求解0/1背包问题
def knapsack(items, capacity):
    n = len(items)  # 物品个数
    best_value = 0  # 最优解的价值
    stack = []  # 用于存放待扩展的节点
    root = Node(0, 0, 0, [])  # 根节点
    stack.append(root)
    
    while stack:
        node = stack.pop()  # 取出待扩展的节点
        level = node.level
        
        if level == n:  # 到达叶子节点
            if node.profit > best_value:  # 更新最优解
                best_value = node.profit
                best_include = node.include
            continue
        
        # 不选取第level个物品
        exclude = Node(level + 1, node.profit, node.weight, node.include[:])
        stack.append(exclude)
        
        # 选取第level个物品
        weight = node.weight + items[level].weight
        if weight <= capacity:
            include = Node(level + 1, node.profit + items[level].value, weight, node.include + [level+1])
            stack.append(include)
        
        # 剪枝，跳过超过背包容量的分支
        bound = bound_value(items, level+1, capacity, node.profit, node.weight)
        if bound <= best_value:
            continue
    
    return best_value, best_include

# 计算节点的上界
def bound_value(items, level, capacity, profit, weight):
    if weight >= capacity:  # 超过背包容量，返回负无穷
        return float('-inf')
    
    bound = profit
    while level < len(items) and weight + items[level].weight <= capacity:
        bound += items[level].value
        weight += items[level].weight
        level += 1
    
    if level < len(items):
        bound += (capacity - weight) * items[level].value / items[level].weight
    
    return bound

# 示例代码
items = [Item(16, 45), Item(15, 25), Item(15, 25)]
capacity = 30
best_value, best_include = knapsack(items, capacity)
print("最优解的价值:", best_value)
print("最优解的选择:", best_include)

该代码使用了一个节点栈来实现深度优先搜索，每次从栈中取出一个节点进行扩展。在扩展节点时，分别考虑不选取当前物品和选取当前物品两种情况，并计算节点的上界。通过剪枝，可以排除掉一些分支，提高搜索效率。最后返回最优解的价值和选择。

### 回答3：
以下是采用分支界限算法实现的0/1背包问题的代码：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

using namespace std;

struct Item {
    int weight;
    int value;
};

bool compare(Item a, Item b) {
    double valuePerUnitA = (double) a.value / a.weight;
    double valuePerUnitB = (double) b.value / b.weight;
    return valuePerUnitA > valuePerUnitB;
}

double getBound(int i, int weight, int value, int W, vector<Item> items) {
    while (i < items.size() && weight + items[i].weight <= W) {
        weight += items[i].weight;
        value += items[i].value;
        i++;
    }

    if (i < items.size()) {
        value += items[i].value * (W - weight) / (double) items[i].weight;
    }

    return value;
}

int branchAndBound(int i, int weight, int value, int W, vector<Item> items, vector<int> &solution) {
    if (i >= items.size() || weight + items[i].weight > W) {
        return value;
    }

    solution[i] = 1;
    int withItem = branchAndBound(i + 1, weight + items[i].weight, value + items[i].value, W, items, solution);

    solution[i] = 0;
    int withoutItem = branchAndBound(i + 1, weight, value, W, items, solution);

    return max(withItem, withoutItem);
}

int main() {
    int n = 3;
    vector<Item> items = {{16, 45}, {15, 25}, {15, 25}};
    int W = 30;
    vector<int> solution(n, 0);

    sort(items.begin(), items.end(), compare);

    int maxValue = branchAndBound(0, 0, 0, W, items, solution);

    cout << "最大价值为：" << maxValue << endl;
    cout << "选择的物品为：";
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        if (solution[i] == 1) {
            cout << i + 1 << " ";
        }
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

上述代码通过定义了一个结构体Item来表示每个物品的重量和价值，然后实现了一个自定义比较函数compare来根据单位重量的价值进行排序。getBound函数用于计算当前节点的上界，branchAndBound函数实现了分支界限算法的递归求解过程。最后，在主函数中，定义了问题的输入数据和解向量，通过调用branchAndBound函数求解问题，并输出最优解。