第9章分支限界法9.1概述分支限界法首先确定一个合理的限界函数，并根据限界函数确定目标函数的界[down,up]。然后，按照广度优先策略遍历问题的解空间树，在分支结点上，依次搜索该结点的所有孩子结点，分别估算这些孩子结点的目标函数的可能取值，如果某孩子结点的目标函数可能取得的值超出目标函数的界，则将其丢弃，因为从这个结点生成的解不会比目前已经得到的解更好；否则，将其加入待处理结点表（以下简称表PT）中。依次从表PT中选取使目标函数的值取得极值的结点成为当前扩展结点，重复上述过程，直到找到最优解。例：0/1背包问题。假设有4个物品，其重量分别为(4,7,5,3)，价值分别为(40,42,25,12)，背包容量W=10。首先，将给定物品按单位重量价值从大到小排序，结果如下：应用贪心法求得近似解为(1,0,0,0)，获得的价值为40，这可以作为0/1背包问题的下界。如何求得0/1背包问题的一个合理的上界呢？考虑最好情况，背包中装入的全部是第1个物品且可以将背包装满，则可以得到一个非常简单的上界的计算方法：ub=W×(v1/w1)=10×10=100。于是，得到了目标函数的界[40,100]。限界函数为：×分支限界法求解0/1背包问题，其搜索空间如图9.1所示，具体的搜索过程如下：（1）在根结点1，没有将任何物品装入背包，因此，背包的重量和获得的价值均为0，根据限界函数计算结点1的目标函数值为10×10=100；（2）在结点2，将物品1装入背包，因此，背包的重量为4，获得的价值为40，目标函数值为40+(10-4)×6=76，将结点2加入待处理结点表PT中；在结点3，没有将物品1装入背包，因此，背包的重量和获得的价值仍为0，目标函数值为10×6＝60，将结点3加入表PT中；（3）在表PT中选取目标函数值取得极大的结点2优先进行搜索；（4）在结点4，将物品2装入背包，因此，背包的重量为11，不满足约束条件，将结点4丢弃；在结点5，没有将物品2装入背包，因此，背包的重量和获得的价值与结点2相同，目标函数值为40+(10-4)×5=70，将结点5加入表PT中；（5）在表PT中选取目标函数值取得极大的结点5优先进行搜索；（6）在结点6，将物品3装入背包，因此，背包的重量为9，获得的价值为65，目标函数值为65+(10-9)×4=69，将结点6加入表PT中；在结点7，没有将物品3装入背包，因此，背包的重量和获得的价值与结点5相同，目标函数值为40+(10-4)×4＝64，将结点7加入表PT中；（7）在表PT中选取目标函数值取得极大的结点6优先进行搜索；（8）在结点8，将物品4装入背包，因此，背包的重量为12，不满足约束条件，将结点8丢弃；在结点9，没有将物品4装入背包，因此，背包的重量和获得的价值与结点6相同，目标函数值为65；（9）由于结点9是叶子结点，同时结点9的目标函数值是表PT中的极大值，所以，结点9对应的解即是问题的最优解，搜索结束。9.1.2分支限界法的设计思想若某孩子结点的目标函数值超出目标函数的界，则将该孩子结点丢弃；否则，将该孩子结点保存在待处理结点表PT中。从表PT中选取使目标函数取得极大值的结点作为下一次扩展的根结点，重复上述过程，当到达一个叶子结点时，就得到了一个可行解X=(x1,x2,…,xn)及其目标函数值bound(x1,x2,…,xn)。如果bound(x1,x2,…,xn)是表PT中目标函数值最大的结点，则bound(x1,x2,…,xn)就是所求问题的最大值，(x1,x2,…,xn)就是问题的最优解；如果bound(x1,x2,…,xn)不是表PT中目标函数值最大的结点，说明还存在某个部分解对应的结点，其上界大于bound(x1,x2,…,xn)。于是，用bound(x1,x2,…,xn)调整目标函数的下界，即令down=bound(x1,x2,…,xn)，并将表PT中超出目标函数下界down的结点删除，然后选取目标函数值取得极大值的结点作为下一次扩展的根结点，继续搜索，直到某个叶子结点的目标函数值在表PT中最大。分支限界法求解最大化问题的一般过程应用分支限界法的关键问题（1）如何确定合适的限界函数（2）如何组织待处理结点表（3）如何确定最优解中的各个分量分支限界法对问题的解空间树中结点的处理是跳跃式的，回溯也不是单纯地沿着双亲结点一层一层向上回溯，因此，当搜索到某个叶子结点且该叶子结点的目标函数值在表PT中最大时（假设求解最大化问题），求得了问题的最优值，但是，却无法求得该叶子结点对应的最优解中的各个分量。这个问题可以用如下方法解决：①对每个扩展结点保存该结点到根结点的路径；②在搜索过程中构建搜索经过的树结构，在求得最优解时，从叶子结点不断回溯到根结点，以确定最优解中的各个