[feat] add ruby code - chapter dynamic programming (#1378)

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khoaxuantu 2024-05-30 16:11:56 +07:00 committed by GitHub
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@ -0,0 +1,37 @@
=begin
File: climbing_stairs_backtrack.rb
Created Time: 2024-05-29
Author: Xuan Khoa Tu Nguyen (ngxktuzkai2000@gmail.com)
=end
### 回溯 ###
def backtrack(choices, state, n, res)
# 当爬到第 n 阶时,方案数量加 1
res[0] += 1 if state == n
# 遍历所有选择
for choice in choices
# 剪枝:不允许越过第 n 阶
next if state + choice > n
# 尝试:做出选择,更新状态
backtrack(choices, state + choice, n, res)
end
# 回退
end
### 爬楼梯:回溯 ###
def climbing_stairs_backtrack(n)
choices = [1, 2] # 可选择向上爬 1 阶或 2 阶
state = 0 # 从第 0 阶开始爬
res = [0] # 使用 res[0] 记录方案数量
backtrack(choices, state, n, res)
res.first
end
### Driver Code ###
if __FILE__ == $0
n = 9
res = climbing_stairs_backtrack(n)
puts "#{n} 阶楼梯共有 #{res} 种方案"
end

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@ -0,0 +1,31 @@
=begin
File: climbing_stairs_constraint_dp.rb
Created Time: 2024-05-29
Author: Xuan Khoa Tu Nguyen (ngxktuzkai2000@gmail.com)
=end
### 带约束爬楼梯:动态规划 ###
def climbing_stairs_backtrack(n)
return 1 if n == 1 || n == 2
# 初始化 dp 表,用于存储子问题的解
dp = Array.new(n + 1) { Array.new(3, 0) }
# 初始状态:预设最小子问题的解
dp[1][1], dp[1][2] = 1, 0
dp[2][1], dp[2][2] = 0, 1
# 状态转移:从较小子问题逐步求解较大子问题
for i in 3...(n + 1)
dp[i][1] = dp[i - 1][2]
dp[i][2] = dp[i - 2][1] + dp[i - 2][2]
end
dp[n][1] + dp[n][2]
end
### Driver Code ###
if __FILE__ == $0
n = 9
res = climbing_stairs_backtrack(n)
puts "#{n} 阶楼梯共有 #{res} 种方案"
end

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@ -0,0 +1,26 @@
=begin
File: climbing_stairs_dfs.rb
Created Time: 2024-05-29
Author: Xuan Khoa Tu Nguyen (ngxktuzkai2000@gmail.com)
=end
### 搜索 ###
def dfs(i)
# 已知 dp[1] 和 dp[2] ,返回之
return i if i == 1 || i == 2
# dp[i] = dp[i-1] + dp[i-2]
dfs(i - 1) + dfs(i - 2)
end
### 爬楼梯:搜索 ###
def climbing_stairs_dfs(n)
dfs(n)
end
### Driver Code ###
if __FILE__ == $0
n = 9
res = climbing_stairs_dfs(n)
puts "#{n} 阶楼梯共有 #{res} 种方案"
end

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@ -0,0 +1,33 @@
=begin
File: climbing_stairs_dfs_mem.rb
Created Time: 2024-05-29
Author: Xuan Khoa Tu Nguyen (ngxktuzkai2000@gmail.com)
=end
### 记忆化搜索 ###
def dfs(i, mem)
# 已知 dp[1] 和 dp[2] ,返回之
return i if i == 1 || i == 2
# 若存在记录 dp[i] ,则直接返回之
return mem[i] if mem[i] != -1
# dp[i] = dp[i-1] + dp[i-2]
count = dfs(i - 1, mem) + dfs(i - 2, mem)
# 记录 dp[i]
mem[i] = count
end
### 爬楼梯:记忆化搜索 ###
def climbing_stairs_dfs_mem(n)
# mem[i] 记录爬到第 i 阶的方案总数,-1 代表无记录
mem = Array.new(n + 1, -1)
dfs(n, mem)
end
### Driver Code ###
if __FILE__ == $0
n = 9
res = climbing_stairs_dfs_mem(n)
puts "#{n} 阶楼梯共有 #{res} 种方案"
end

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@ -0,0 +1,40 @@
=begin
File: climbing_stairs_dp.rb
Created Time: 2024-05-29
Author: Xuan Khoa Tu Nguyen (ngxktuzkai2000@gmail.com)
=end
### 爬楼梯:动态规划 ###
def climbing_stairs_dp(n)
return n if n == 1 || n == 2
# 初始化 dp 表,用于存储子问题的解
dp = Array.new(n + 1, 0)
# 初始状态:预设最小子问题的解
dp[1], dp[2] = 1, 2
# 状态转移:从较小子问题逐步求解较大子问题
(3...(n + 1)).each { |i| dp[i] = dp[i - 1] + dp[i - 2] }
dp[n]
end
### 爬楼梯:空间优化后的动态规划 ###
def climbing_stairs_dp_comp(n)
return n if n == 1 || n == 2
a, b = 1, 2
(3...(n + 1)).each { a, b = b, a + b }
b
end
### Driver Code ###
if __FILE__ == $0
n = 9
res = climbing_stairs_dp(n)
puts "#{n} 阶楼梯共有 #{res} 种方案"
res = climbing_stairs_dp_comp(n)
puts "#{n} 阶楼梯共有 #{res} 种方案"
end

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@ -0,0 +1,65 @@
=begin
File: coin_change.rb
Created Time: 2024-05-29
Author: Xuan Khoa Tu Nguyen (ngxktuzkai2000@gmail.com)
=end
### 零钱兑换:动态规划 ###
def coin_change_dp(coins, amt)
n = coins.length
_MAX = amt + 1
# 初始化 dp 表
dp = Array.new(n + 1) { Array.new(amt + 1, 0) }
# 状态转移:首行首列
(1...(amt + 1)).each { |a| dp[0][a] = _MAX }
# 状态转移:其余行和列
for i in 1...(n + 1)
for a in 1...(amt + 1)
if coins[i - 1] > a
# 若超过目标金额,则不选硬币 i
dp[i][a] = dp[i - 1][a]
else
# 不选和选硬币 i 这两种方案的较小值
dp[i][a] = [dp[i - 1][a], dp[i][a - coins[i - 1]] + 1].min
end
end
end
dp[n][amt] != _MAX ? dp[n][amt] : -1
end
### 零钱兑换:空间优化后的动态规划 ###
def coin_change_dp_comp(coins, amt)
n = coins.length
_MAX = amt + 1
# 初始化 dp 表
dp = Array.new(amt + 1, _MAX)
dp[0] = 0
# 状态转移
for i in 1...(n + 1)
# 正序遍历
for a in 1...(amt + 1)
if coins[i - 1] > a
# 若超过目标金额,则不选硬币 i
dp[a] = dp[a]
else
# 不选和选硬币 i 这两种方案的较小值
dp[a] = [dp[a], dp[a - coins[i - 1]] + 1].min
end
end
end
dp[amt] != _MAX ? dp[amt] : -1
end
### Driver Code ###
if __FILE__ == $0
coins = [1, 2, 5]
amt = 4
# 动态规划
res = coin_change_dp(coins, amt)
puts "凑到目标金额所需的最少硬币数量为 #{res}"
# 空间优化后的动态规划
res = coin_change_dp_comp(coins, amt)
puts "凑到目标金额所需的最少硬币数量为 #{res}"
end

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@ -0,0 +1,63 @@
=begin
File: coin_change_ii.rb
Created Time: 2024-05-29
Author: Xuan Khoa Tu Nguyen (ngxktuzkai2000@gmail.com)
=end
### 零钱兑换 II动态规划 ###
def coin_change_ii_dp(coins, amt)
n = coins.length
# 初始化 dp 表
dp = Array.new(n + 1) { Array.new(amt + 1, 0) }
# 初始化首列
(0...(n + 1)).each { |i| dp[i][0] = 1 }
# 状态转移
for i in 1...(n + 1)
for a in 1...(amt + 1)
if coins[i - 1] > a
# 若超过目标金额,则不选硬币 i
dp[i][a] = dp[i - 1][a]
else
# 不选和选硬币 i 这两种方案之和
dp[i][a] = dp[i - 1][a] + dp[i][a - coins[i - 1]]
end
end
end
dp[n][amt]
end
### 零钱兑换 II空间优化后的动态规划 ###
def coin_change_ii_dp_comp(coins, amt)
n = coins.length
# 初始化 dp 表
dp = Array.new(amt + 1, 0)
dp[0] = 1
# 状态转移
for i in 1...(n + 1)
# 正序遍历
for a in 1...(amt + 1)
if coins[i - 1] > a
# 若超过目标金额,则不选硬币 i
dp[a] = dp[a]
else
# 不选和选硬币 i 这两种方案之和
dp[a] = dp[a] + dp[a - coins[i - 1]]
end
end
end
dp[amt]
end
### Driver Code ###
if __FILE__ == $0
coins = [1, 2, 5]
amt = 5
# 动态规划
res = coin_change_ii_dp(coins, amt)
puts "凑出目标金额的硬币组合数量为 #{res}"
# 空间优化后的动态规划
res = coin_change_ii_dp_comp(coins, amt)
puts "凑出目标金额的硬币组合数量为 #{res}"
end

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@ -0,0 +1,115 @@
=begin
File: edit_distance.rb
Created Time: 2024-05-29
Author: Xuan Khoa Tu Nguyen (ngxktuzkai2000@gmail.com)
=end
### 编辑距离:暴力搜索 ###
def edit_distance_dfs(s, t, i, j)
# 若 s 和 t 都为空,则返回 0
return 0 if i == 0 && j == 0
# 若 s 为空,则返回 t 长度
return j if i == 0
# 若 t 为空,则返回 s 长度
return i if j == 0
# 若两字符相等,则直接跳过此两字符
return edit_distance_dfs(s, t, i - 1, j - 1) if s[i - 1] == t[j - 1]
# 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
insert = edit_distance_dfs(s, t, i, j - 1)
delete = edit_distance_dfs(s, t, i - 1, j)
replace = edit_distance_dfs(s, t, i - 1, j - 1)
# 返回最少编辑步数
[insert, delete, replace].min + 1
end
def edit_distance_dfs_mem(s, t, mem, i, j)
# 若 s 和 t 都为空,则返回 0
return 0 if i == 0 && j == 0
# 若 s 为空,则返回 t 长度
return j if i == 0
# 若 t 为空,则返回 s 长度
return i if j == 0
# 若已有记录,则直接返回之
return mem[i][j] if mem[i][j] != -1
# 若两字符相等,则直接跳过此两字符
return edit_distance_dfs_mem(s, t, mem, i - 1, j - 1) if s[i - 1] == t[j - 1]
# 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
insert = edit_distance_dfs_mem(s, t, mem, i, j - 1)
delete = edit_distance_dfs_mem(s, t, mem, i - 1, j)
replace = edit_distance_dfs_mem(s, t, mem, i - 1, j - 1)
# 记录并返回最少编辑步数
mem[i][j] = [insert, delete, replace].min + 1
end
### 编辑距离:动态规划 ###
def edit_distance_dp(s, t)
n, m = s.length, t.length
dp = Array.new(n + 1) { Array.new(m + 1, 0) }
# 状态转移:首行首列
(1...(n + 1)).each { |i| dp[i][0] = i }
(1...(m + 1)).each { |j| dp[0][j] = j }
# 状态转移:其余行和列
for i in 1...(n + 1)
for j in 1...(m +1)
if s[i - 1] == t[j - 1]
# 若两字符相等,则直接跳过此两字符
dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1]
else
# 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[i][j] = [dp[i][j - 1], dp[i - 1][j], dp[i - 1][j - 1]].min + 1
end
end
end
dp[n][m]
end
### 编辑距离:空间优化后的动态规划 ###
def edit_distance_dp_comp(s, t)
n, m = s.length, t.length
dp = Array.new(m + 1, 0)
# 状态转移:首行
(1...(m + 1)).each { |j| dp[j] = j }
# 状态转移:其余行
for i in 1...(n + 1)
# 状态转移:首列
leftup = dp.first # 暂存 dp[i-1, j-1]
dp[0] += 1
# 状态转移:其余列
for j in 1...(m + 1)
temp = dp[j]
if s[i - 1] == t[j - 1]
# 若两字符相等,则直接跳过此两字符
dp[j] = leftup
else
# 最少编辑步数 = 插入、删除、替换这三种操作的最少编辑步数 + 1
dp[j] = [dp[j - 1], dp[j], leftup].min + 1
end
leftup = temp # 更新为下一轮的 dp[i-1, j-1]
end
end
dp[m]
end
### Driver Code ###
if __FILE__ == $0
s = 'bag'
t = 'pack'
n, m = s.length, t.length
# 暴力搜索
res = edit_distance_dfs(s, t, n, m)
puts "#{s} 更改为 #{t} 最少需要编辑 #{res}"
# 记忆化搜索
mem = Array.new(n + 1) { Array.new(m + 1, -1) }
res = edit_distance_dfs_mem(s, t, mem, n, m)
puts "#{s} 更改为 #{t} 最少需要编辑 #{res}"
# 动态规划
res = edit_distance_dp(s, t)
puts "#{s} 更改为 #{t} 最少需要编辑 #{res}"
# 空间优化后的动态规划
res = edit_distance_dp_comp(s, t)
puts "#{s} 更改为 #{t} 最少需要编辑 #{res}"
end

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@ -0,0 +1,99 @@
=begin
File: knapsack.rb
Created Time: 2024-05-29
Author: Xuan Khoa Tu Nguyen (ngxktuzkai2000@gmail.com)
=end
### 0-1 背包:暴力搜索 ###
def knapsack_dfs(wgt, val, i, c)
# 若已选完所有物品或背包无剩余容量,则返回价值 0
return 0 if i == 0 || c == 0
# 若超过背包容量,则只能选择不放入背包
return knapsack_dfs(wgt, val, i - 1, c) if wgt[i - 1] > c
# 计算不放入和放入物品 i 的最大价值
no = knapsack_dfs(wgt, val, i - 1, c)
yes = knapsack_dfs(wgt, val, i - 1, c - wgt[i - 1]) + val[i - 1]
# 返回两种方案中价值更大的那一个
[no, yes].max
end
### 0-1 背包:记忆化搜索 ###
def knapsack_dfs_mem(wgt, val, mem, i, c)
# 若已选完所有物品或背包无剩余容量,则返回价值 0
return 0 if i == 0 || c == 0
# 若已有记录,则直接返回
return mem[i][c] if mem[i][c] != -1
# 若超过背包容量,则只能选择不放入背包
return knapsack_dfs_mem(wgt, val, mem, i - 1, c) if wgt[i - 1] > c
# 计算不放入和放入物品 i 的最大价值
no = knapsack_dfs_mem(wgt, val, mem, i - 1, c)
yes = knapsack_dfs_mem(wgt, val, mem, i - 1, c - wgt[i - 1]) + val[i - 1]
# 记录并返回两种方案中价值更大的那一个
mem[i][c] = [no, yes].max
end
### 0-1 背包:动态规划 ###
def knapsack_dp(wgt, val, cap)
n = wgt.length
# 初始化 dp 表
dp = Array.new(n + 1) { Array.new(cap + 1, 0) }
# 状态转移
for i in 1...(n + 1)
for c in 1...(cap + 1)
if wgt[i - 1] > c
# 若超过背包容量,则不选物品 i
dp[i][c] = dp[i - 1][c]
else
# 不选和选物品 i 这两种方案的较大值
dp[i][c] = [dp[i - 1][c], dp[i - 1][c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]].max
end
end
end
dp[n][cap]
end
### 0-1 背包:空间优化后的动态规划 ###
def knapsack_dp_comp(wgt, val, cap)
n = wgt.length
# 初始化 dp 表
dp = Array.new(cap + 1, 0)
# 状态转移
for i in 1...(n + 1)
# 倒序遍历
for c in cap.downto(1)
if wgt[i - 1] > c
# 若超过背包容量,则不选物品 i
dp[c] = dp[c]
else
# 不选和选物品 i 这两种方案的较大值
dp[c] = [dp[c], dp[c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]].max
end
end
end
dp[cap]
end
### Driver Code ###
if __FILE__ == $0
wgt = [10, 20, 30, 40, 50]
val = [50, 120, 150, 210, 240]
cap = 50
n = wgt.length
# 暴力搜索
res = knapsack_dfs(wgt, val, n, cap)
puts "不超过背包容量的最大物品价值为 #{res}"
# 记忆化搜索
mem = Array.new(n + 1) { Array.new(cap + 1, -1) }
res = knapsack_dfs_mem(wgt, val, mem, n, cap)
puts "不超过背包容量的最大物品价值为 #{res}"
# 动态规划
res = knapsack_dp(wgt, val, cap)
puts "不超过背包容量的最大物品价值为 #{res}"
# 空间优化后的动态规划
res = knapsack_dp_comp(wgt, val, cap)
puts "不超过背包容量的最大物品价值为 #{res}"
end

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@ -0,0 +1,39 @@
=begin
File: min_cost_climbing_stairs_dp.rb
Created Time: 2024-05-29
Author: Xuan Khoa Tu Nguyen (ngxktuzkai2000@gmail.com)
=end
### 爬楼梯最小代价:动态规划 ###
def min_cost_climbing_stairs_dp(cost)
n = cost.length - 1
return cost[n] if n == 1 || n == 2
# 初始化 dp 表,用于存储子问题的解
dp = Array.new(n + 1, 0)
# 初始状态:预设最小子问题的解
dp[1], dp[2] = cost[1], cost[2]
# 状态转移:从较小子问题逐步求解较大子问题
(3...(n + 1)).each { |i| dp[i] = [dp[i - 1], dp[i - 2]].min + cost[i] }
dp[n]
end
# 爬楼梯最小代价:空间优化后的动态规划
def min_cost_climbing_stairs_dp_comp(cost)
n = cost.length - 1
return cost[n] if n == 1 || n == 2
a, b = cost[1], cost[2]
(3...(n + 1)).each { |i| a, b = b, [a, b].min + cost[i] }
b
end
### Driver Code ###
if __FILE__ == $0
cost = [0, 1, 10, 1, 1, 1, 10, 1, 1, 10, 1]
puts "输入楼梯的代价列表为 #{cost}"
res = min_cost_climbing_stairs_dp(cost)
puts "爬完楼梯的最低代价为 #{res}"
res = min_cost_climbing_stairs_dp_comp(cost)
puts "爬完楼梯的最低代价为 #{res}"
end

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@ -0,0 +1,93 @@
=begin
File: min_path_sum.rb
Created Time: 2024-05-29
Author: Xuan Khoa Tu Nguyen (ngxktuzkai2000@gmail.com)
=end
### 最小路径和:暴力搜索 ###
def min_path_sum_dfs(grid, i, j)
# 若为左上角单元格,则终止搜索
return grid[i][j] if i == 0 && j == 0
# 若行列索引越界,则返回 +∞ 代价
return Float::INFINITY if i < 0 || j < 0
# 计算从左上角到 (i-1, j) 和 (i, j-1) 的最小路径代价
up = min_path_sum_dfs(grid, i - 1, j)
left = min_path_sum_dfs(grid, i, j - 1)
# 返回从左上角到 (i, j) 的最小路径代价
[left, up].min + grid[i][j]
end
### 最小路径和:记忆化搜索 ###
def min_path_sum_dfs_mem(grid, mem, i, j)
# 若为左上角单元格,则终止搜索
return grid[0][0] if i == 0 && j == 0
# 若行列索引越界,则返回 +∞ 代价
return Float::INFINITY if i < 0 || j < 0
# 若已有记录,则直接返回
return mem[i][j] if mem[i][j] != -1
# 左边和上边单元格的最小路径代价
up = min_path_sum_dfs_mem(grid, mem, i - 1, j)
left = min_path_sum_dfs_mem(grid, mem, i, j - 1)
# 记录并返回左上角到 (i, j) 的最小路径代价
mem[i][j] = [left, up].min + grid[i][j]
end
### 最小路径和:动态规划 ###
def min_path_sum_dp(grid)
n, m = grid.length, grid.first.length
# 初始化 dp 表
dp = Array.new(n) { Array.new(m, 0) }
dp[0][0] = grid[0][0]
# 状态转移:首行
(1...m).each { |j| dp[0][j] = dp[0][j - 1] + grid[0][j] }
# 状态转移:首列
(1...n).each { |i| dp[i][0] = dp[i - 1][0] + grid[i][0] }
# 状态转移:其余行和列
for i in 1...n
for j in 1...m
dp[i][j] = [dp[i][j - 1], dp[i - 1][j]].min + grid[i][j]
end
end
dp[n -1][m -1]
end
### 最小路径和:空间优化后的动态规划 ###
def min_path_sum_dp_comp(grid)
n, m = grid.length, grid.first.length
# 初始化 dp 表
dp = Array.new(m, 0)
# 状态转移:首行
dp[0] = grid[0][0]
(1...m).each { |j| dp[j] = dp[j - 1] + grid[0][j] }
# 状态转移:其余行
for i in 1...n
# 状态转移:首列
dp[0] = dp[0] + grid[i][0]
# 状态转移:其余列
(1...m).each { |j| dp[j] = [dp[j - 1], dp[j]].min + grid[i][j] }
end
dp[m - 1]
end
### Driver Code ###
if __FILE__ == $0
grid = [[1, 3, 1, 5], [2, 2, 4, 2], [5, 3, 2, 1], [4, 3, 5, 2]]
n, m = grid.length, grid.first.length
# 暴力搜索
res = min_path_sum_dfs(grid, n - 1, m - 1)
puts "从左上角到右下角的做小路径和为 #{res}"
# 记忆化搜索
mem = Array.new(n) { Array.new(m, - 1) }
res = min_path_sum_dfs_mem(grid, mem, n - 1, m -1)
puts "从左上角到右下角的做小路径和为 #{res}"
# 动态规划
res = min_path_sum_dp(grid)
puts "从左上角到右下角的做小路径和为 #{res}"
# 空间优化后的动态规划
res = min_path_sum_dp_comp(grid)
puts "从左上角到右下角的做小路径和为 #{res}"
end

View file

@ -0,0 +1,61 @@
=begin
File: unbounded_knapsack.rb
Created Time: 2024-05-29
Author: Xuan Khoa Tu Nguyen (ngxktuzkai2000@gmail.com)
=end
### 完全背包:动态规划 ###
def unbounded_knapsack_dp(wgt, val, cap)
n = wgt.length
# 初始化 dp 表
dp = Array.new(n + 1) { Array.new(cap + 1, 0) }
# 状态转移
for i in 1...(n + 1)
for c in 1...(cap + 1)
if wgt[i - 1] > c
# 若超过背包容量,则不选物品 i
dp[i][c] = dp[i - 1][c]
else
# 不选和选物品 i 这两种方案的较大值
dp[i][c] = [dp[i - 1][c], dp[i][c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]].max
end
end
end
dp[n][cap]
end
### 完全背包:空间优化后的动态规划 ##3
def unbounded_knapsack_dp_comp(wgt, val, cap)
n = wgt.length
# 初始化 dp 表
dp = Array.new(cap + 1, 0)
# 状态转移
for i in 1...(n + 1)
# 正序遍历
for c in 1...(cap + 1)
if wgt[i -1] > c
# 若超过背包容量,则不选物品 i
dp[c] = dp[c]
else
# 不选和选物品 i 这两种方案的较大值
dp[c] = [dp[c], dp[c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]].max
end
end
end
dp[cap]
end
### Driver Code ###
if __FILE__ == $0
wgt = [1, 2, 3]
val = [5, 11, 15]
cap = 4
# 动态规划
res = unbounded_knapsack_dp(wgt, val, cap)
puts "不超过背包容量的最大物品价值为 #{res}"
# 空间优化后的动态规划
res = unbounded_knapsack_dp_comp(wgt, val, cap)
puts "不超过背包容量的最大物品价值为 #{res}"
end