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PHP實現動態規劃之背包問題

2020-07-16 10:06:00
事情原由

由於我司舉辦一個演算法程式設計大賽，隨機抽籤下面圖片的演算法題目，想了一段時間記起之前在書（演算法圖解）上有一個演算法比較符合，那就是動態規劃中的「背包問題」。

背包問題(Knapsack problem)是一種組合優化的NP完全問題。問題可以描述為：給定一組物品，每種物品都有自己的重量和價格，在限定的總重量內，我們如何選擇，才能使得物品的總價格最高。

如何選擇最合適的物品放置於給定背包中，與我們的題目相符合，所以這次我們使用的是「0-1背包問題」，用我們這次的題目進行代入，「總人數」 等價於 「背包」，「物品」 等價於 「工單型別」，物品的重量就是所需人數。

補充：

背包問題解法延伸問題有三個：無界背包問題、0-1背包問題、二次背包問題 （不做詳細延伸，只需我們使用的）

演算法題目如下

554d7665af17098d4155de2f5b06828.png

動態規劃所處理的問題是一個多階段決策問題，一般由初始狀態開始，通過對中間階段決策的選擇，達到結束狀態。這些決策形成了一個決策序列，同時確定了完成整個過程的一條活動路線(通常是求最優的活動路線)。動態規劃的設計都有著一定的模式，一般要經歷以下幾個步驟。

初始狀態→│決策１│→│決策２│→…→│決策ｎ│→結束狀態

動態規劃解題公式:

f(n,m)=max{f(n-1,m),f(n-1,m-w[n])+P(n,m)}

● 橫向m(總人數),縱向n(4輛車做的工單型別)

● f(n-1,m) ==> (決策1)上一個工單型別對應的技師人數，做的工單利潤

● P(n,m) ==> (決策2)當前工單型別對應的技師人數，做的工單利潤

● f(n-1,m-w[n]) ==> 用減去當前工單所需人數，在上一個決策中對應人數的利潤

be7a62a09daa68f67d877284464c11e.png

所以最優解的答案是：決策n中五個技師中對應的值，1799元

PostMan提交引數：

people:5
carDetail[0][technician]:2
carDetail[0][amount]:49
carDetail[0][type]:全車安檢
carDetail[1][technician]:2
carDetail[1][amount]:499
carDetail[1][type]:深度診斷
carDetail[2][technician]:3
carDetail[2][amount]:1300
carDetail[2][type]:二手車檢測
carDetail[3][technician]:1
carDetail[3][amount]:10
carDetail[3][type]:空調專項檢測

解答方式一：動態規劃

<?php
// 動態規劃
error_reporting(E_ALL ^ E_NOTICE);
$t1 = microtime(true);
class bestMatch
{
    public function getMethod($postData)
    {
        $peopleArr = $gainArr = $nameArr = [0];
        foreach ($postData['carDetail'] as $val) {
            // 初始化各個套餐：所需人數、利潤和套餐名稱陣列
            $peopleArr[] = $val['technician'];
            $gainArr[] = $val['amount'];
            $nameArr[] = $val['type'];
        }
        // 獲取人數總數（背包）
        $totalPeople = $postData['people'];
        // 做檢測單數
        $items = count($peopleArr);
        // 利潤列表 - 初始狀態
        $cacheMap[] = array_fill(1, $items, 0);
        // 套餐列表 - 初始狀態
        $cacheMapName[] = array_fill(1, $items, '');
        //中間的各種決策(依次放入物品a,b,c,d,e)
        // 第一個迴圈是總人數
        for($i = 1; $i <= $totalPeople; $i++)
        {
            // 第二個迴圈是套餐
            for($j = 1; $j < $items; $j++)
            {
                $requiredPeople = $peopleArr[$j];
                $gain = $gainArr[$j];
                $name = $nameArr[$j];
                // 上一行坐標數
                $preLine = $j-1;
                $prevGain = $cacheMap[$preLine][$i];
                $prevName = $cacheMapName[$preLine][$i];
                if($requiredPeople > $i)
                {
                    $cacheMap[$j][$i] = $prevGain;
                    $cacheMapName[$j][$i] = $prevName;
                }
                else
                {
                    // 剩餘價值
                    if ($i-$requiredPeople >= 0) {
                        $surplusPeople = $i-$requiredPeople;
                        $surplusGain = $cacheMap[$preLine][$surplusPeople];
                        $surplusName = $cacheMapName[$preLine][$surplusPeople];
                    }else {
                        $surplusGain = 0;
                        $surplusName = '';
                    }
                    $nowTotalGain = $gain + $surplusGain;
                    $cacheMap[$j][$i] = max($prevGain, $nowTotalGain);
                    if ($prevGain > $nowTotalGain) {
                        $cacheMapName[$j][$i] = $prevName;
                    }else{
                        $cacheMapName[$j][$i] = $name.'+'.$surplusName;
                    }
                }
            }
        }
        $actual = count($postData['carDetail']);
        return [
            'maxMatch' => $cacheMap[$actual][$totalPeople],
            'maxMatchName' => trim($cacheMapName[$actual][$totalPeople],'+')
        ];
    }
}
$bestMatch = new bestMatch;
if (empty($_POST) || isset($_POST['people']) && $_POST['people'] > 0) {
    die('提交引數有誤');
}
$res = $bestMatch->getMethod($_POST);
$t2 = microtime(true);
echo '動態規劃: '.'<br/>';
echo '最佳金額: '.$res['maxMatch'].'<br/>';
echo '最佳套餐搭配: '.$res['maxMatchName'].'<br/>';
echo '耗時'.round($t2-$t1,7).'秒'.'<br/>' ;
echo '消耗記憶體: ' . memory_get_usage().'位元組'.'<br/>' ;

解答方式二：遞回

<?php
// 遞回查詢
error_reporting(E_ALL ^ E_NOTICE);
$t1 = microtime(true);
class optimal
{
    public function getSortList($array,$index = 0,$up =0,&$result =[])
    {
        for ($i=$index; $i < count($array); $i++) {
            if($index > 0 ){
                $value['name'] = $up['name'].'+'.$array[$i]['type'];
                $value['amount'] = bcadd($up['amount'],$array[$i]['amount']);
                $value['technician'] = bcadd($up['technician'],$array[$i]['technician']);
            }else{
                $value['name'] = $array[$i]['type'];
                $value['amount'] = bcadd($array[$i]['amount'],0);
                $value['technician'] = bcadd($array[$i]['technician'],0);
            }
            $result[]  = $value;
            $this->getSortList($array,$i+1,$value,$result);
        }
        return $result ;
    }
    public function getMethod($postData)
    {
        $people = $postData['people'];
        $carDetail = $postData['carDetail'];
        $allResult = $this->getSortList($carDetail);
        $bestMatch = [];
        foreach ($allResult as $val) {
            if ($val['technician'] <= $people) {
                if ($bestMatch) {
                    if ($val['amount'] > $bestMatch['amount']) {
                        $bestMatch = $val;
                    }
                }else{
                    $bestMatch = $val;
                }
            }
        }
        return $bestMatch;
    }
}
$optimal = new optimal();
if (empty($_POST) || isset($_POST['people']) && $_POST['people'] > 0) {
    die('提交引數有誤');
}
$bestMatch = $optimal->getMethod($_POST);
$t2 = microtime(true);
echo '遞回查詢: '.'<br/>';
echo '最佳金額: '.$bestMatch['amount'].'<br/>';
echo '最佳套餐搭配: '.$bestMatch['name'].'<br/>';
echo '耗時'.round($t2-$t1,7).'秒'.'<br/>' ;
echo '消耗記憶體: ' . memory_get_usage().'位元組'.'<br/>' ;

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