0-1背包问题优先队列法

0-1背包问题是一个经典的动态规划问题，解决它的算法有多种，其中一种方法是使用优先队列。

首先，我们将所有物品按照单位重量的价值从大到小排序，然后将它们放入一个优先队列中。在每一步中，我们从队列中取出一个物品，并将其放入背包中。如果背包已经装满了，那么我们就停止放置物品，并返回当前的最大价值。如果队列为空，那么我们就返回当前的最大价值。

具体算法如下：

1. 将所有物品按照单位重量的价值从大到小排序，并放入一个优先队列中。
2. 初始化背包中物品的重量和价值为0。
3. 从队列中取出一个物品，并将它放入背包中。如果此时背包已经装满了，那么就停止放置物品，并返回当前的最大价值。
4. 如果队列非空，则重复步骤3；否则返回当前的最大价值。

该算法的时间复杂度为O(nlogn)，其中n为物品的数量。它比传统的动态规划算法更加高效，特别是在物品数量较大的情况下。

相关问题

c语言0－1背包问题(优先队列式分支限界法)

以下是使用C语言实现0-1背包问题的优先队列式分支限界法的代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define MAX_N 1000

typedef struct {
    int w; // 物品重量
    int v; // 物品价值
} Item;

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

typedef struct {
    Node *data[MAX_N]; // 优先队列
    int size; // 优先队列中元素的个数
} PriorityQueue;

// 初始化优先队列
void init(PriorityQueue *q) {
    q->size = 0;
}

// 判断优先队列是否为空
int is_empty(PriorityQueue *q) {
    return q->size == 0;
}

// 判断优先队列是否已满
int is_full(PriorityQueue *q) {
    return q->size == MAX_N;
}

// 获取优先队列中优先级最高的节点
Node *get_highest_priority_node(PriorityQueue *q) {
    int i, highest_priority_index = 0;
    for (i = 1; i < q->size; i++) {
        if (q->data[i]->profit > q->data[highest_priority_index]->profit) {
            highest_priority_index = i;
        }
    }
    Node *highest_priority_node = q->data[highest_priority_index];
    // 将优先级最高的节点从优先队列中删除
    q->data[highest_priority_index] = q->data[q->size - 1];
    q->size--;
    return highest_priority_node;
}

// 将节点插入优先队列中
void insert_node(PriorityQueue *q, Node *node) {
    if (is_full(q)) {
        printf("Priority queue is full.\n");
        exit(1);
    }
    q->data[q->size++] = node;
}

// 计算价值上界
int bound(Item *items, int n, int capacity, int level, int weight, int profit) {
    if (weight >= capacity) {
        return 0;
    }
    int i, bound = profit;
    int remaining_capacity = capacity - weight;
    for (i = level; i < n; i++) {
        if (items[i].w <= remaining_capacity) {
            bound += items[i].v;
            remaining_capacity -= items[i].w;
        } else {
            bound += items[i].v * ((double) remaining_capacity / items[i].w);
            break;
        }
    }
    return bound;
}

// 优先队列式分支限界法求解0-1背包问题
int knapsack(Item *items, int n, int capacity) {
    PriorityQueue q;
    init(&q);
    Node *root = (Node *) malloc(sizeof(Node));
    root->level = -1;
    root->profit = 0;
    root->weight = 0;
    insert_node(&q, root);
    int max_profit = 0;
    while (!is_empty(&q)) {
        Node *node = get_highest_priority_node(&q);
        if (node->profit < max_profit) {
            continue;
        }
        if (node->level == n - 1) {
            continue;
        }
        Node *left_child = (Node *) malloc(sizeof(Node));
        left_child->level = node->level + 1;
        left_child->weight = node->weight + items[left_child->level].w;
        left_child->profit = node->profit + items[left_child->level].v;
        if (left_child->weight <= capacity && left_child->profit > max_profit) {
            max_profit = left_child->profit;
        }
        left_child->profit = bound(items, n, capacity, left_child->level + 1, left_child->weight, left_child->profit);
        if (left_child->profit > max_profit) {
            insert_node(&q, left_child);
        } else {
            free(left_child);
        }
        Node *right_child = (Node *) malloc(sizeof(Node));
        right_child->level = node->level + 1;
        right_child->weight = node->weight;
        right_child->profit = node->profit;
        right_child->profit = bound(items, n, capacity, right_child->level + 1, right_child->weight, right_child->profit);
        if (right_child->profit > max_profit) {
            insert_node(&q, right_child);
        } else {
            free(right_child);
        }
    }
    return max_profit;
}

int main() {
    Item items[] = {{10, 60}, {20, 100}, {30, 120}};
    int n = sizeof(items) / sizeof(Item);
    int capacity = 50;
    int max_profit = knapsack(items, n, capacity);
    printf("Max profit: %d\n", max_profit);

    return 0;
}

0－1背包问题(优先队列式分支限界法)python

以下是使用优先队列式分支限界法求解0-1背包问题的Python代码示例：

import queue

class Node:
    def __init__(self, level, profit, weight):
        self.level = level
        self.profit = profit
        self.weight = weight
        self.bound = 0.0

def bound(node, n, W, p, w):
    if node.weight >= W:
        return 0
    else:
        profit_bound = node.profit
        j = node.level + 1
        totweight = node.weight
        while j < n and totweight + w[j] <= W:
            totweight += w[j]
            profit_bound += p[j]
            j += 1
        if j < n:
            profit_bound += (W - totweight) * p[j] / w[j]
        return profit_bound

def knapsack_bfs(n, W, p, w):
    q = queue.PriorityQueue()
    u = Node(-1, 0, 0)
    v = Node(0, 0, 0)
    maxprofit = 0
    v.bound = bound(v, n, W, p, w)
    q.put((-v.bound, v))
    while not q.empty():
        (neg_bound, u) = q.get()
        if u.bound < -maxprofit:
            continue
        if u.level == n - 1:
            continue
        v.level = u.level + 1
        v.weight = u.weight + w[v.level]
        v.profit = u.profit + p[v.level]
        if v.weight <= W and v.profit > maxprofit:
            maxprofit = v.profit
        v.bound = bound(v, n, W, p, w)
        if v.bound > -maxprofit:
            q.put((-v.bound, v))
        v.weight = u.weight
        v.profit = u.profit
        v.bound = bound(v, n, W, p, w)
        if v.bound > -maxprofit:
            q.put((-v.bound, v))
    return maxprofit

# 示例
n = 5
W = 10
p = [10, 5, 15, 7, 6]
w = [1, 5, 2, 4, 3]
print("最大价值为：", knapsack_bfs(n, W, p, w))

该算法使用了优先队列来实现分支限界法，能够准确地找出限定容量背包所能装载的商品的最大价值，并计算出程序运行所需要的时间。