Problem plecakowy

Które pudełka powinny być wybrane, aby zmaksymalizować wartość przedmiotów w plecaku i jednocześnie nie zabrać więcej niż 15 kg?

Dyskretny problem plecakowy (ang. discrete knapsack problem) jest jednym z najczęściej poruszanych problemów optymalizacyjnych. Nazwa zagadnienia pochodzi od maksymalizacyjnego problemu wyboru przedmiotów, tak by ich sumaryczna wartość była jak największa i jednocześnie mieściły się w plecaku. Przy podanym zbiorze elementów o podanej wadze i wartości, należy wybrać taki podzbiór by suma wartości była możliwie jak największa, a suma wag była nie większa od danej pojemności plecaka.

Problem plecakowy często przedstawia się jako problem złodzieja rabującego sklep – znalazł on N towarów; j–ty przedmiot jest wart $c_{j}$ oraz waży $w_{j}$ . Złodziej dąży do zabrania ze sobą jak najwartościowszego łupu, przy czym nie może zabrać więcej niż B kilogramów. Nie może też zabierać ułamkowej części przedmiotów (byłoby to możliwe w ciągłym problemie plecakowym).

Podobny problem pojawia się często w kombinatoryce, teorii złożoności obliczeniowej, kryptografii oraz matematyce stosowanej.

Decyzyjna wersja przedstawionego zagadnienia to pytanie "czy wartość co najmniej C może być osiągnięta bez przekraczania wagi W?"

Definicja

Definicja formalna: mamy do dyspozycji plecak o maksymalnej pojemności $B$ oraz zbiór $N$ elementów $\{x_1, x_j, ..., x_N\}$ , przy czym każdy element ma określoną wartość $c_{j}$ oraz wielkość $w_{j}$ .

Dyskretny problem plecakowy (ang. 0-1 knapsack problem)

formalnie problem może być zdefiniowany:

zmaksymalizuj $\sum_{j=1}^N c_j x_j.$

przy założeniach: $\sum_{j=1}^N w_j x_j \le B, \quad \quad x_j = 0\;\mbox{lub}\;1, \quad j=1,\dots,n.$

Problem plecakowy, w którym liczba elementów danego typu jest ograniczona przez podaną wartość (ang. bounded knapsack problem).

Formalnie:

zmaksymalizuj $\sum_{j=1}^N c_j x_j.$

przy założeniach: $\sum_{j=1}^N w_j x_j \le B, \quad \quad 0 \le x_j \le b_j, \quad j=1,\dots,n.$

Można rozważać także przypadek w którym nie ma wartości ograniczającej liczbę elementów danego typu (ang. unbounded knapsack problem).

W ciągłym problemie plecakowym można brać ułamkowe części przedmiotów.

W przypadku, gdy problem jest rozważany przy założeniach, że

jest problemem decyzyjnym
jest dyskretny
dla każdego elementu waga równa się wartości $w_j=c_j$

utożsamiany jest z problemem: czy dla danego zbioru liczb całkowitych istnieje taki jego podzbiór, że suma jego liczb wynosi dokładnie W? Zagadnienie to nazywane jest problemem sumy podzbioru.

Problem plecakowy może być rozwiązany przy użyciu programowania dynamicznego, ale rozwiązanie wielomianowe nie jest znane. Problem plecakowy oraz sumy podzbioru są problemami NP trudnymi, co było powodem użycia sumy podzbioru jako podstawy w niektórych systemach kryptografii asymetrycznej takich jak Merkle-Hellman. Algorytmy takie używały grup, nie liczb całkowitych. Merkle-Hellman oraz kilka podobnych algorytmów zostało w późniejszym czasie złamanych, ponieważ szczególny problem sumy podzbioru użyty w tych algorytmach były rozwiązywalne w czasie wielomianowym^.

Decyzyjna wersja problemu plecakowego opisana wyżej jest problemem NP zupełnym i jest jednym z 21 NP zupełnych problemów Karpa.

Realizacje algorytmu

Przegląd zupełny

Przegląd zupełny (bruteforce, metoda siłowa) – metoda nieefektywna obliczeniowo (ale optymalna, gdyż znajduje rozwiązanie najlepsze); w jego przypadku złożoność obliczeniowa algorytmu wyniesie $\Theta(2^n)$ , co zdecydowanie zawyży czas działania dla dużych n. Złożoność wynosi $\Theta(2^n)$ ponieważ jest tyle możliwych ciągów zero jedynkowych na n polach. Złożoność można również obliczyć ze wzoru dwumianowego Newtona (dwumian Newtona) podstawiając za a i b jedynki.

E-zapiski z informatyki

wtorek, 25 marca 2014

Ogólny problem plecakowy

Problem plecakowy

Definicja

Realizacje algorytmu

Przegląd zupełny

Brak komentarzy:

Prześlij komentarz