C#使用回溯法解決背包問(wèn)題實(shí)例分析
本文實(shí)例講述了C#使用回溯法解決背包問(wèn)題的方法。分享給大家供大家參考。具體如下:
背包問(wèn)題描述:
給定一組物品,每種物品都有自己的重量和價(jià)格,在限定的總重量?jī)?nèi),我們?nèi)绾芜x擇,才能使得物品的總價(jià)格最高
實(shí)現(xiàn)代碼:
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;
namespace BackRack
{
//要裝入書(shū)包的貨物節(jié)點(diǎn)
class BagNode
{
public int mark;//貨物編號(hào),從0開(kāi)始記
public int weight;//貨物重量
public int value;//貨物價(jià)值
public BagNode(int m, int w, int v)
{
mark = m;
weight = w;
value = v;
}
}
//根據(jù)貨物的數(shù)目,建立相應(yīng)的滿二叉樹(shù),如:3個(gè)貨物,需要建立15個(gè)節(jié)點(diǎn)的二叉樹(shù),共三層(根節(jié)點(diǎn)所在的層記為0)
class BulidFullSubTree
{
public static int treeNodeNum = 0;//滿二叉樹(shù)節(jié)點(diǎn)總數(shù)
public int noleafNode = 0;//滿二叉樹(shù)出去葉子節(jié)點(diǎn)外所剩余的非葉子節(jié)點(diǎn)
public static TreeNode[] treeNode;//存儲(chǔ)滿二叉樹(shù)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)組
public BulidFullSubTree(int nodeNum)
{
treeNodeNum = Convert.ToInt32(Math.Pow(2,nodeNum+1)-1);
noleafNode = Convert.ToInt32(treeNodeNum - Math.Pow(2,nodeNum));
treeNode = new TreeNode[treeNodeNum];
for (int i = 0; i < treeNodeNum; i++)
{
treeNode[i] = new TreeNode(i.ToString());
//對(duì)二叉樹(shù)的所有節(jié)點(diǎn)初始化
}
for (int i = 0; i < noleafNode; i++)
{
//建立節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系
treeNode[i].left = treeNode[2 * i + 1];
treeNode[i].right = treeNode[2 * i + 2];
treeNode[2 * i + 1].bLeftNode = true;
//如果是左孩子,則記其標(biāo)識(shí)變量為true
treeNode[2 * i + 2].bLeftNode = false;
}
treeNode[0].level=0;//約定根節(jié)點(diǎn)的層數(shù)為0
//根據(jù)數(shù)組下標(biāo)確定節(jié)點(diǎn)的層數(shù)
for (int i = 1; i <= 2; i++)
{
treeNode[i].level = 1;
}
for (int i = 3; i <= 6; i++)
{
treeNode[i].level = 2;
}
for (int i = 7; i <= 14; i++)
{
treeNode[i].level = 3;
}
}
}
//利用回溯法尋找最優(yōu)解的類
class DealBagProblem
{
public TreeNode[] treeNode = BulidFullSubTree.treeNode;
//獲取建立好的二叉樹(shù)
int maxWeiht = 0;//背包最大承重量
int treeLevel =Convert.ToInt32(Math.Floor(Math.Log(BulidFullSubTree.treeNodeNum,2)))+1;
//二叉樹(shù)的最大層數(shù)
int []optionW=new int[100];//存儲(chǔ)最優(yōu)解的數(shù)組
int[] optionV = new int[100];//存儲(chǔ)最優(yōu)解的數(shù)組
int i = 0;//計(jì)數(shù)器,記錄相應(yīng)數(shù)組的下標(biāo)
int midTw = 0;//中間變量,存儲(chǔ)程序回溯過(guò)程中的中間值
int midTv = 0;//中間變量,存儲(chǔ)程序回溯過(guò)程中的中間值
int midTw1 = 0;//中間變量,存儲(chǔ)程序回溯過(guò)程中的中間值
int midTv2 = 0;//中間變量,存儲(chǔ)程序回溯過(guò)程中的中間值
BagNode[] bagNode;//存儲(chǔ)貨物節(jié)點(diǎn)
string[] solution=new string[3];
//程序最終所得的最優(yōu)解,分別存儲(chǔ):最優(yōu)價(jià)值,總重量,路徑
// int[] bestWay=new int[100];
TraceNode[] Optiontrace=new TraceNode[100];//存儲(chǔ)路徑路徑
public DealBagProblem(BagNode[] bagN,TreeNode[] treeNode,int maxW)
{
bagNode = bagN;
maxWeiht = maxW;
for (int i = 0; i < Optiontrace.Length; i++)
{
//將路徑數(shù)組對(duì)象初始化
Optiontrace[i] = new TraceNode();
}
}
//核心算法,進(jìn)行回溯
//cursor:二叉樹(shù)下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的指針;tw:當(dāng)前背包的重量;tv:當(dāng)前背包的總價(jià)值
public void BackTrace(TreeNode cursor,int tw,int tv)
{
if(cursor!=null)//如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)部位空值
{
midTv = tv;
midTw = tw;
if (cursor.left != null && cursor.right != null)
//如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)不是葉子節(jié)點(diǎn)
{
//如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是根節(jié)點(diǎn),分別處理其左右子樹(shù)
if (cursor.level == 0)
{
BackTrace(cursor.left, tw, tv);
BackTrace(cursor.right, tw, tv);
}
//如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)不是根節(jié)點(diǎn)
if (cursor.level > 0)
{
//如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是左孩子
if (cursor.bLeftNode)
{
//如果將當(dāng)前貨物放進(jìn)書(shū)包而不會(huì)超過(guò)背包的承重量
if (tw + bagNode[cursor.level - 1].weight <= maxWeiht)
{
//記錄當(dāng)前節(jié)點(diǎn)放進(jìn)書(shū)包
Optiontrace[i].mark = i;
Optiontrace[i].traceStr += "1";
tw = tw + bagNode[cursor.level - 1].weight;
tv=tv+bagNode[cursor.level - 1].value;
if (cursor.left != null)
{
//如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)有左孩子,遞歸
BackTrace(cursor.left, tw, tv);
}
if (cursor.right != null)
{
//如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)有左、右孩子,遞歸
BackTrace(cursor.right, midTw, midTv);
}
}
}
//如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是其父節(jié)點(diǎn)的右孩子
else
{
//記錄當(dāng)前節(jié)點(diǎn)下的tw,tv當(dāng)遞歸回到該節(jié)點(diǎn)時(shí),以所記錄的值開(kāi)始向當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的右子樹(shù)遞歸
midTv2 = midTv;
midTw1 = midTw;
Optiontrace[i].traceStr += "0";
if (cursor.left != null)
{
BackTrace(cursor.left, midTw, midTv);
}
if (cursor.right != null)
{
//遞歸所傳遞的midTw1與midTv2是先前記錄下來(lái)的
BackTrace(cursor.right, midTw1, midTv2);
}
}
}
}
//如果是葉子節(jié)點(diǎn),則表明已經(jīng)產(chǎn)生了一個(gè)臨時(shí)解
if (cursor.left == null && cursor.right == null)
{
//如果葉子節(jié)點(diǎn)是其父節(jié)點(diǎn)的左孩子
if (cursor.bLeftNode)
{
if (tw + bagNode[cursor.level - 1].weight <= maxWeiht)
{
Optiontrace[i].traceStr += "1";
tw = tw + bagNode[cursor.level - 1].weight;
tv = tv + bagNode[cursor.level - 1].value;
if (cursor.left != null)
{
BackTrace(cursor.left, tw, tv);
}
if (cursor.right != null)
{
BackTrace(cursor.right, midTw, midTv);
}
}
}
//存儲(chǔ)臨時(shí)優(yōu)解
optionV[i] = tv;
optionW[i] = tw;
i++;
tv = 0;
tw = 0;
}
}
}
//從所得到的臨時(shí)解數(shù)組中找到最優(yōu)解
public string[] FindBestSolution()
{
int bestValue=-1;//最大價(jià)值
int bestWeight = -1;//與最大價(jià)值對(duì)應(yīng)的重量
int bestMark = -1;//最優(yōu)解所對(duì)應(yīng)得數(shù)組編號(hào)(由i確定)
for (int i = 0; i < optionV.Length; i++)
{
if (optionV[i] > bestValue)
{
bestValue=optionV[i];
bestMark = i;
}
}
bestWeight=optionW[bestMark];//重量應(yīng)該與最優(yōu)解的數(shù)組下標(biāo)對(duì)應(yīng)
for (int i = 0; i < Optiontrace.Length; i++)
{
if (Optiontrace[i].traceStr.Length == bagNode.Length&&i==bestMark)
{
//找到與最大價(jià)值對(duì)應(yīng)得路徑
solution[2]=Optiontrace[i].traceStr;
}
}
solution[0] = bestWeight.ToString();
solution[1] = bestValue.ToString();
return solution;
}
}
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
//測(cè)試數(shù)據(jù)(貨物)
//Node[] bagNode = new Node[100];
//BagNode bagNode1 = new BagNode(0, 5, 4);
//BagNode bagNode2 = new BagNode(1, 3, 4);
//BagNode bagNode3 = new BagNode(2, 2, 3);
//測(cè)試數(shù)據(jù)(貨物)
BagNode bagNode1 = new BagNode(0, 16, 45);
BagNode bagNode2 = new BagNode(1, 15, 25);
BagNode bagNode3 = new BagNode(2, 15, 25);
BagNode[] bagNodeArr = new BagNode[] {bagNode1,bagNode2,bagNode3};
BulidFullSubTree bfs = new BulidFullSubTree(3);
//第3個(gè)參數(shù)為背包的承重
DealBagProblem dbp = new DealBagProblem(bagNodeArr,BulidFullSubTree.treeNode,30);
//找到最優(yōu)解并將其格式化輸出
dbp.BackTrace(BulidFullSubTree.treeNode[0],0,0);
string[] reslut=dbp.FindBestSolution();
if (reslut[2] != null)
{
Console.WriteLine("該背包最優(yōu)情況下的貨物的重量為:{0}\n 貨物的最大總價(jià)值為:{1}", reslut[0].ToString(), reslut[1].ToString());
Console.WriteLine("\n");
Console.WriteLine("該最優(yōu)解的貨物選擇方式為:{0}", reslut[2].ToString());
char[] r = reslut[2].ToString().ToCharArray();
Console.WriteLine("被選擇的貨物有:");
for (int i = 0; i < bagNodeArr.Length; i++)
{
if (r[i].ToString() == "1")
{
Console.WriteLine("貨物編號(hào):{0},貨物重量:{1},貨物價(jià)值:{2}", bagNodeArr[i].mark, bagNodeArr[i].weight, bagNodeArr[i].value);
}
}
}
else
{
Console.WriteLine("程序沒(méi)有找到最優(yōu)解,請(qǐng)檢查你輸入的數(shù)據(jù)是否合適!");
}
}
}
//存儲(chǔ)選擇回溯路徑的節(jié)點(diǎn)
public class TraceNode
{
public int mark;//路徑編號(hào)
public string traceStr;//所走過(guò)的路徑(1代表取,2代表舍)
public TraceNode(int m,string t)
{
mark = m;
traceStr = t;
}
public TraceNode()
{
mark = -1;
traceStr = "";
}
}
//回溯所要依附的滿二叉樹(shù)
class TreeNode
{
public TreeNode left;//左孩子指針
public TreeNode right;//右孩子指針
public int level;//數(shù)的層,層數(shù)代表貨物的標(biāo)識(shí)
string symb;//節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí),用其所在數(shù)組中的下標(biāo),如:“1”,“2”
public bool bLeftNode;//當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否是父節(jié)點(diǎn)的左孩子
public TreeNode(TreeNode l, TreeNode r, int lev,string sb,bool ln)
{
left = l;
right = r;
level = lev;
symb = sb;
bLeftNode = ln;
}
public TreeNode(string sb)
{
symb = sb;
}
}
}
希望本文所述對(duì)大家的C#程序設(shè)計(jì)有所幫助。
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