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Co-authored-by: krahets <krahets@163.com>

ja/codes/java/chapter_dynamic_programming/knapsack.java

@@ -0,0 +1,116 @@
+/**
+ * File: knapsack.java
+ * Created Time: 2023-07-10
+ * Author: krahets (krahets@163.com)
+ */
+
+package chapter_dynamic_programming;
+
+import java.util.Arrays;
+
+public class knapsack {
+
+    /* 0-1 ナップサック：ブルートフォース探索 */
+    static int knapsackDFS(int[] wgt, int[] val, int i, int c) {
+        // すべてのアイテムが選択されたか、ナップサックに残り容量がない場合、値 0 を返す
+        if (i == 0 || c == 0) {
+            return 0;
+        }
+        // ナップサックの容量を超える場合、ナップサックに入れないことしか選択できない
+        if (wgt[i - 1] > c) {
+            return knapsackDFS(wgt, val, i - 1, c);
+        }
+        // アイテム i を入れない場合と入れる場合の最大値を計算
+        int no = knapsackDFS(wgt, val, i - 1, c);
+        int yes = knapsackDFS(wgt, val, i - 1, c - wgt[i - 1]) + val[i - 1];
+        // 2つの選択肢のより大きい値を返す
+        return Math.max(no, yes);
+    }
+
+    /* 0-1 ナップサック：メモ化探索 */
+    static int knapsackDFSMem(int[] wgt, int[] val, int[][] mem, int i, int c) {
+        // すべてのアイテムが選択されたか、ナップサックに残り容量がない場合、値 0 を返す
+        if (i == 0 || c == 0) {
+            return 0;
+        }
+        // 記録がある場合、それを返す
+        if (mem[i][c] != -1) {
+            return mem[i][c];
+        }
+        // ナップサックの容量を超える場合、ナップサックに入れないことしか選択できない
+        if (wgt[i - 1] > c) {
+            return knapsackDFSMem(wgt, val, mem, i - 1, c);
+        }
+        // アイテム i を入れない場合と入れる場合の最大値を計算
+        int no = knapsackDFSMem(wgt, val, mem, i - 1, c);
+        int yes = knapsackDFSMem(wgt, val, mem, i - 1, c - wgt[i - 1]) + val[i - 1];
+        // 2つの選択肢のより大きい値を記録して返す
+        mem[i][c] = Math.max(no, yes);
+        return mem[i][c];
+    }
+
+    /* 0-1 ナップサック：動的プログラミング */
+    static int knapsackDP(int[] wgt, int[] val, int cap) {
+        int n = wgt.length;
+        // DPテーブルを初期化
+        int[][] dp = new int[n + 1][cap + 1];
+        // 状態遷移
+        for (int i = 1; i <= n; i++) {
+            for (int c = 1; c <= cap; c++) {
+                if (wgt[i - 1] > c) {
+                    // ナップサックの容量を超える場合、アイテム i を選択しない
+                    dp[i][c] = dp[i - 1][c];
+                } else {
+                    // 選択しない場合とアイテム i を選択する場合のより大きい値
+                    dp[i][c] = Math.max(dp[i - 1][c], dp[i - 1][c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]);
+                }
+            }
+        }
+        return dp[n][cap];
+    }
+
+    /* 0-1 ナップサック：空間最適化動的プログラミング */
+    static int knapsackDPComp(int[] wgt, int[] val, int cap) {
+        int n = wgt.length;
+        // DPテーブルを初期化
+        int[] dp = new int[cap + 1];
+        // 状態遷移
+        for (int i = 1; i <= n; i++) {
+            // 逆順で走査
+            for (int c = cap; c >= 1; c--) {
+                if (wgt[i - 1] <= c) {
+                    // 選択しない場合とアイテム i を選択する場合のより大きい値
+                    dp[c] = Math.max(dp[c], dp[c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]);
+                }
+            }
+        }
+        return dp[cap];
+    }
+
+    public static void main(String[] args) {
+        int[] wgt = { 10, 20, 30, 40, 50 };
+        int[] val = { 50, 120, 150, 210, 240 };
+        int cap = 50;
+        int n = wgt.length;
+
+        // ブルートフォース探索
+        int res = knapsackDFS(wgt, val, n, cap);
+        System.out.println("ナップサック容量内での最大値は " + res + " です");
+
+        // メモ化探索
+        int[][] mem = new int[n + 1][cap + 1];
+        for (int[] row : mem) {
+            Arrays.fill(row, -1);
+        }
+        res = knapsackDFSMem(wgt, val, mem, n, cap);
+        System.out.println("ナップサック容量内での最大値は " + res + " です");
+
+        // 動的プログラミング
+        res = knapsackDP(wgt, val, cap);
+        System.out.println("ナップサック容量内での最大値は " + res + " です");
+
+        // 空間最適化動的プログラミング
+        res = knapsackDPComp(wgt, val, cap);
+        System.out.println("ナップサック容量内での最大値は " + res + " です");
+    }
+}