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comments: true
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# 14.5 完全ナップサック問題
本節では、まずもう 1 つの代表的なナップサック問題である完全ナップサック問題を解き、その特殊例である硬貨交換問題について見ていきます。
## 14.5.1 完全ナップサック問題
!!! question
$n$ 個の品物が与えられ、$i$ 番目の品物の重さは $wgt[i-1]$、価値は $val[i-1]$ であり、容量 $cap$ のナップサックがあります。**各品物は繰り返し選択できます**。ナップサック容量の制約下で入れられる品物の最大価値を求めてください。例を以下の図に示します。
{ class="animation-figure" }
図 14-22 完全ナップサック問題のサンプルデータ
### 1. 動的計画法の考え方
完全ナップサック問題は 0-1 ナップサック問題と非常によく似ています。**違いは、品物の選択回数に制限がない点だけです**。
- 0-1 ナップサック問題では、各品物は 1 つしかないため、品物 $i$ をナップサックに入れた後は先頭 $i-1$ 個の品物からしか選べません。
- 完全ナップサック問題では、各品物の数は無限であるため、品物 $i$ をナップサックに入れた後も、**引き続き先頭 $i$ 個の品物から選べます**。
完全ナップサック問題では、状態 $[i, c]$ の変化は 2 つの場合に分けられます。
- **品物 $i$ を入れない** ：0-1 ナップサック問題と同様に、$[i-1, c]$ へ遷移します。
- **品物 $i$ を入れる** ：0-1 ナップサック問題とは異なり、$[i, c-wgt[i-1]]$ へ遷移します。
したがって、状態遷移方程式は次のようになります。
$$
dp[i, c] = \max(dp[i-1, c], dp[i, c - wgt[i-1]] + val[i-1])
$$
### 2. コード実装
2 つの問題のコードを比較すると、状態遷移の中で 1 か所だけ $i-1$ が $i$ に変わり、それ以外は完全に同じです。
=== "Python"
```python title="unbounded_knapsack.py"
def unbounded_knapsack_dp(wgt: list[int], val: list[int], cap: int) -> int:
"""完全ナップサック問題：動的計画法"""
n = len(wgt)
# dp テーブルを初期化
dp = [[0] * (cap + 1) for _ in range(n + 1)]
# 状態遷移
for i in range(1, n + 1):
for c in range(1, cap + 1):
if wgt[i - 1] > c:
# ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[i][c] = dp[i - 1][c]
else:
# 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[i][c] = max(dp[i - 1][c], dp[i][c - wgt[i - 1]] + val[i - 1])
return dp[n][cap]
```
=== "C++"
```cpp title="unbounded_knapsack.cpp"
/* 完全ナップサック問題：動的計画法 */
int unboundedKnapsackDP(vector &wgt, vector &val, int cap) {
int n = wgt.size();
// dp テーブルを初期化
vector> dp(n + 1, vector(cap + 1, 0));
// 状態遷移
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int c = 1; c <= cap; c++) {
if (wgt[i - 1] > c) {
// ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[i][c] = dp[i - 1][c];
} else {
// 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[i][c] = max(dp[i - 1][c], dp[i][c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]);
}
}
}
return dp[n][cap];
}
```
=== "Java"
```java title="unbounded_knapsack.java"
/* 完全ナップサック問題：動的計画法 */
int unboundedKnapsackDP(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) {
// ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[i][c] = dp[i - 1][c];
} else {
// 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[i][c] = Math.max(dp[i - 1][c], dp[i][c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]);
}
}
}
return dp[n][cap];
}
```
=== "C#"
```csharp title="unbounded_knapsack.cs"
/* 完全ナップサック問題：動的計画法 */
int UnboundedKnapsackDP(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) {
// ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[i, c] = dp[i - 1, c];
} else {
// 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[i, c] = Math.Max(dp[i - 1, c], dp[i, c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]);
}
}
}
return dp[n, cap];
}
```
=== "Go"
```go title="unbounded_knapsack.go"
/* 完全ナップサック問題：動的計画法 */
func unboundedKnapsackDP(wgt, val []int, cap int) int {
n := len(wgt)
// dp テーブルを初期化
dp := make([][]int, n+1)
for i := 0; i <= n; i++ {
dp[i] = make([]int, cap+1)
}
// 状態遷移
for i := 1; i <= n; i++ {
for c := 1; c <= cap; c++ {
if wgt[i-1] > c {
// ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[i][c] = dp[i-1][c]
} else {
// 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[i][c] = int(math.Max(float64(dp[i-1][c]), float64(dp[i][c-wgt[i-1]]+val[i-1])))
}
}
}
return dp[n][cap]
}
```
=== "Swift"
```swift title="unbounded_knapsack.swift"
/* 完全ナップサック問題：動的計画法 */
func unboundedKnapsackDP(wgt: [Int], val: [Int], cap: Int) -> Int {
let n = wgt.count
// dp テーブルを初期化
var dp = Array(repeating: Array(repeating: 0, count: cap + 1), count: n + 1)
// 状態遷移
for i in 1 ... n {
for c in 1 ... cap {
if wgt[i - 1] > c {
// ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[i][c] = dp[i - 1][c]
} else {
// 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[i][c] = max(dp[i - 1][c], dp[i][c - wgt[i - 1]] + val[i - 1])
}
}
}
return dp[n][cap]
}
```
=== "JS"
```javascript title="unbounded_knapsack.js"
/* 完全ナップサック問題：動的計画法 */
function unboundedKnapsackDP(wgt, val, cap) {
const n = wgt.length;
// dp テーブルを初期化
const dp = Array.from({ length: n + 1 }, () =>
Array.from({ length: cap + 1 }, () => 0)
);
// 状態遷移
for (let i = 1; i <= n; i++) {
for (let c = 1; c <= cap; c++) {
if (wgt[i - 1] > c) {
// ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[i][c] = dp[i - 1][c];
} else {
// 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[i][c] = Math.max(
dp[i - 1][c],
dp[i][c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]
);
}
}
}
return dp[n][cap];
}
```
=== "TS"
```typescript title="unbounded_knapsack.ts"
/* 完全ナップサック問題：動的計画法 */
function unboundedKnapsackDP(
wgt: Array,
val: Array,
cap: number
): number {
const n = wgt.length;
// dp テーブルを初期化
const dp = Array.from({ length: n + 1 }, () =>
Array.from({ length: cap + 1 }, () => 0)
);
// 状態遷移
for (let i = 1; i <= n; i++) {
for (let c = 1; c <= cap; c++) {
if (wgt[i - 1] > c) {
// ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[i][c] = dp[i - 1][c];
} else {
// 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[i][c] = Math.max(
dp[i - 1][c],
dp[i][c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]
);
}
}
}
return dp[n][cap];
}
```
=== "Dart"
```dart title="unbounded_knapsack.dart"
/* 完全ナップサック問題：動的計画法 */
int unboundedKnapsackDP(List wgt, List val, int cap) {
int n = wgt.length;
// dp テーブルを初期化
List> dp = List.generate(n + 1, (index) => List.filled(cap + 1, 0));
// 状態遷移
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int c = 1; c <= cap; c++) {
if (wgt[i - 1] > c) {
// ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[i][c] = dp[i - 1][c];
} else {
// 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[i][c] = max(dp[i - 1][c], dp[i][c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]);
}
}
}
return dp[n][cap];
}
```
=== "Rust"
```rust title="unbounded_knapsack.rs"
/* 完全ナップサック問題：動的計画法 */
fn unbounded_knapsack_dp(wgt: &[i32], val: &[i32], cap: usize) -> i32 {
let n = wgt.len();
// dp テーブルを初期化
let mut dp = vec![vec![0; cap + 1]; n + 1];
// 状態遷移
for i in 1..=n {
for c in 1..=cap {
if wgt[i - 1] > c as i32 {
// ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[i][c] = dp[i - 1][c];
} else {
// 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[i][c] = std::cmp::max(dp[i - 1][c], dp[i][c - wgt[i - 1] as usize] + val[i - 1]);
}
}
}
return dp[n][cap];
}
```
=== "C"
```c title="unbounded_knapsack.c"
/* 完全ナップサック問題：動的計画法 */
int unboundedKnapsackDP(int wgt[], int val[], int cap, int wgtSize) {
int n = wgtSize;
// dp テーブルを初期化
int **dp = malloc((n + 1) * sizeof(int *));
for (int i = 0; i <= n; i++) {
dp[i] = calloc(cap + 1, sizeof(int));
}
// 状態遷移
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int c = 1; c <= cap; c++) {
if (wgt[i - 1] > c) {
// ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[i][c] = dp[i - 1][c];
} else {
// 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[i][c] = myMax(dp[i - 1][c], dp[i][c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]);
}
}
}
int res = dp[n][cap];
// メモリを解放する
for (int i = 0; i <= n; i++) {
free(dp[i]);
}
return res;
}
```
=== "Kotlin"
```kotlin title="unbounded_knapsack.kt"
/* 完全ナップサック問題：動的計画法 */
fun unboundedKnapsackDP(wgt: IntArray, _val: IntArray, cap: Int): Int {
val n = wgt.size
// dp テーブルを初期化
val dp = Array(n + 1) { IntArray(cap + 1) }
// 状態遷移
for (i in 1..n) {
for (c in 1..cap) {
if (wgt[i - 1] > c) {
// ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[i][c] = dp[i - 1][c]
} else {
// 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[i][c] = max(dp[i - 1][c], dp[i][c - wgt[i - 1]] + _val[i - 1])
}
}
}
return dp[n][cap]
}
```
=== "Ruby"
```ruby title="unbounded_knapsack.rb"
### 完全ナップサック：動的計画法 ###
def unbounded_knapsack_dp(wgt, val, cap)
n = wgt.length
# dp テーブルを初期化
dp = Array.new(n + 1) { Array.new(cap + 1, 0) }
# 状態遷移
for i in 1...(n + 1)
for c in 1...(cap + 1)
if wgt[i - 1] > c
# ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[i][c] = dp[i - 1][c]
else
# 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[i][c] = [dp[i - 1][c], dp[i][c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]].max
end
end
end
dp[n][cap]
end
```
??? pythontutor "コードの可視化"
### 3. 空間最適化
現在の状態は左側と上側の状態から遷移してくるため、**空間最適化後は $dp$ テーブルの各行を順方向に走査する必要があります**。
この走査順序は 0-1 ナップサックとはちょうど逆です。両者の違いは次の図を用いて理解してください。
=== "<1>"
{ class="animation-figure" }
=== "<2>"
{ class="animation-figure" }
=== "<3>"
{ class="animation-figure" }
=== "<4>"
{ class="animation-figure" }
=== "<5>"
{ class="animation-figure" }
=== "<6>"
{ class="animation-figure" }
図 14-23 完全ナップサック問題における空間最適化後の動的計画法の過程
コード実装は比較的簡単で、配列 `dp` の第 1 次元を削除するだけです。
=== "Python"
```python title="unbounded_knapsack.py"
def unbounded_knapsack_dp_comp(wgt: list[int], val: list[int], cap: int) -> int:
"""完全ナップサック問題：空間最適化後の動的計画法"""
n = len(wgt)
# dp テーブルを初期化
dp = [0] * (cap + 1)
# 状態遷移
for i in range(1, n + 1):
# 順方向に走査する
for c in range(1, cap + 1):
if wgt[i - 1] > c:
# ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[c] = dp[c]
else:
# 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[c] = max(dp[c], dp[c - wgt[i - 1]] + val[i - 1])
return dp[cap]
```
=== "C++"
```cpp title="unbounded_knapsack.cpp"
/* 完全ナップサック問題：空間最適化後の動的計画法 */
int unboundedKnapsackDPComp(vector &wgt, vector &val, int cap) {
int n = wgt.size();
// dp テーブルを初期化
vector dp(cap + 1, 0);
// 状態遷移
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int c = 1; c <= cap; c++) {
if (wgt[i - 1] > c) {
// ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[c] = dp[c];
} else {
// 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[c] = max(dp[c], dp[c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]);
}
}
}
return dp[cap];
}
```
=== "Java"
```java title="unbounded_knapsack.java"
/* 完全ナップサック問題：空間最適化後の動的計画法 */
int unboundedKnapsackDPComp(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++) {
for (int c = 1; c <= cap; c++) {
if (wgt[i - 1] > c) {
// ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[c] = dp[c];
} else {
// 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[c] = Math.max(dp[c], dp[c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]);
}
}
}
return dp[cap];
}
```
=== "C#"
```csharp title="unbounded_knapsack.cs"
/* 完全ナップサック問題：空間最適化後の動的計画法 */
int UnboundedKnapsackDPComp(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++) {
for (int c = 1; c <= cap; c++) {
if (wgt[i - 1] > c) {
// ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[c] = dp[c];
} else {
// 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[c] = Math.Max(dp[c], dp[c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]);
}
}
}
return dp[cap];
}
```
=== "Go"
```go title="unbounded_knapsack.go"
/* 完全ナップサック問題：空間最適化後の動的計画法 */
func unboundedKnapsackDPComp(wgt, val []int, cap int) int {
n := len(wgt)
// dp テーブルを初期化
dp := make([]int, cap+1)
// 状態遷移
for i := 1; i <= n; i++ {
for c := 1; c <= cap; c++ {
if wgt[i-1] > c {
// ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[c] = dp[c]
} else {
// 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[c] = int(math.Max(float64(dp[c]), float64(dp[c-wgt[i-1]]+val[i-1])))
}
}
}
return dp[cap]
}
```
=== "Swift"
```swift title="unbounded_knapsack.swift"
/* 完全ナップサック問題：空間最適化後の動的計画法 */
func unboundedKnapsackDPComp(wgt: [Int], val: [Int], cap: Int) -> Int {
let n = wgt.count
// dp テーブルを初期化
var dp = Array(repeating: 0, count: cap + 1)
// 状態遷移
for i in 1 ... n {
for c in 1 ... cap {
if wgt[i - 1] > c {
// ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[c] = dp[c]
} else {
// 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[c] = max(dp[c], dp[c - wgt[i - 1]] + val[i - 1])
}
}
}
return dp[cap]
}
```
=== "JS"
```javascript title="unbounded_knapsack.js"
/* 完全ナップサック問題：空間最適化後の動的計画法 */
function unboundedKnapsackDPComp(wgt, val, cap) {
const n = wgt.length;
// dp テーブルを初期化
const dp = Array.from({ length: cap + 1 }, () => 0);
// 状態遷移
for (let i = 1; i <= n; i++) {
for (let c = 1; c <= cap; c++) {
if (wgt[i - 1] > c) {
// ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[c] = dp[c];
} else {
// 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[c] = Math.max(dp[c], dp[c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]);
}
}
}
return dp[cap];
}
```
=== "TS"
```typescript title="unbounded_knapsack.ts"
/* 完全ナップサック問題：空間最適化後の動的計画法 */
function unboundedKnapsackDPComp(
wgt: Array,
val: Array,
cap: number
): number {
const n = wgt.length;
// dp テーブルを初期化
const dp = Array.from({ length: cap + 1 }, () => 0);
// 状態遷移
for (let i = 1; i <= n; i++) {
for (let c = 1; c <= cap; c++) {
if (wgt[i - 1] > c) {
// ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[c] = dp[c];
} else {
// 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[c] = Math.max(dp[c], dp[c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]);
}
}
}
return dp[cap];
}
```
=== "Dart"
```dart title="unbounded_knapsack.dart"
/* 完全ナップサック問題：空間最適化後の動的計画法 */
int unboundedKnapsackDPComp(List wgt, List val, int cap) {
int n = wgt.length;
// dp テーブルを初期化
List dp = List.filled(cap + 1, 0);
// 状態遷移
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int c = 1; c <= cap; c++) {
if (wgt[i - 1] > c) {
// ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[c] = dp[c];
} else {
// 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[c] = max(dp[c], dp[c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]);
}
}
}
return dp[cap];
}
```
=== "Rust"
```rust title="unbounded_knapsack.rs"
/* 完全ナップサック問題：空間最適化後の動的計画法 */
fn unbounded_knapsack_dp_comp(wgt: &[i32], val: &[i32], cap: usize) -> i32 {
let n = wgt.len();
// dp テーブルを初期化
let mut dp = vec![0; cap + 1];
// 状態遷移
for i in 1..=n {
for c in 1..=cap {
if wgt[i - 1] > c as i32 {
// ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[c] = dp[c];
} else {
// 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[c] = std::cmp::max(dp[c], dp[c - wgt[i - 1] as usize] + val[i - 1]);
}
}
}
dp[cap]
}
```
=== "C"
```c title="unbounded_knapsack.c"
/* 完全ナップサック問題：空間最適化後の動的計画法 */
int unboundedKnapsackDPComp(int wgt[], int val[], int cap, int wgtSize) {
int n = wgtSize;
// dp テーブルを初期化
int *dp = calloc(cap + 1, sizeof(int));
// 状態遷移
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int c = 1; c <= cap; c++) {
if (wgt[i - 1] > c) {
// ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[c] = dp[c];
} else {
// 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[c] = myMax(dp[c], dp[c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]);
}
}
}
int res = dp[cap];
// メモリを解放する
free(dp);
return res;
}
```
=== "Kotlin"
```kotlin title="unbounded_knapsack.kt"
/* 完全ナップサック問題：空間最適化後の動的計画法 */
fun unboundedKnapsackDPComp(
wgt: IntArray,
_val: IntArray,
cap: Int
): Int {
val n = wgt.size
// dp テーブルを初期化
val dp = IntArray(cap + 1)
// 状態遷移
for (i in 1..n) {
for (c in 1..cap) {
if (wgt[i - 1] > c) {
// ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[c] = dp[c]
} else {
// 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[c] = max(dp[c], dp[c - wgt[i - 1]] + _val[i - 1])
}
}
}
return dp[cap]
}
```
=== "Ruby"
```ruby title="unbounded_knapsack.rb"
### 完全ナップサック：動的計画法 ###
def unbounded_knapsack_dp(wgt, val, cap)
n = wgt.length
# dp テーブルを初期化
dp = Array.new(n + 1) { Array.new(cap + 1, 0) }
# 状態遷移
for i in 1...(n + 1)
for c in 1...(cap + 1)
if wgt[i - 1] > c
# ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[i][c] = dp[i - 1][c]
else
# 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[i][c] = [dp[i - 1][c], dp[i][c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]].max
end
end
end
dp[n][cap]
end
# ## 完全ナップサック: 空間最適化後の動的計画法 ##3
def unbounded_knapsack_dp_comp(wgt, val, cap)
n = wgt.length
# dp テーブルを初期化
dp = Array.new(cap + 1, 0)
# 状態遷移
for i in 1...(n + 1)
# 順方向に走査する
for c in 1...(cap + 1)
if wgt[i -1] > c
# ナップサック容量を超えるなら品物 i は選ばない
dp[c] = dp[c]
else
# 品物 i を選ばない場合と選ぶ場合の大きい方
dp[c] = [dp[c], dp[c - wgt[i - 1]] + val[i - 1]].max
end
end
end
dp[cap]
end
```
??? pythontutor "コードの可視化"
## 14.5.2 硬貨交換問題
ナップサック問題は動的計画法の代表的な問題群であり、多くの派生問題があります。硬貨交換問題もその 1 つです。
!!! question
$n$ 種類の硬貨が与えられ、$i$ 番目の硬貨の額面は $coins[i - 1]$ 、目標金額は $amt$ です。**各硬貨は繰り返し選択できます**。目標金額を作るために必要な最小の硬貨枚数を求めてください。目標金額を作れない場合は $-1$ を返します。例を以下の図に示します。
{ class="animation-figure" }
図 14-24 硬貨交換問題のサンプルデータ
### 1. 動的計画法の考え方
**硬貨交換は完全ナップサック問題の特殊なケースとみなせます**。両者には次の対応関係と相違点があります。
- 2 つの問題は相互に変換でき、「品物」は「硬貨」、「品物の重さ」は「硬貨の額面」、「ナップサック容量」は「目標金額」に対応します。
- 最適化の目標は逆であり、完全ナップサック問題は品物価値の最大化、硬貨交換問題は硬貨枚数の最小化を目指します。
- 完全ナップサック問題はナップサック容量を「超えない」解を求めますが、硬貨交換は目標金額に「ちょうど」一致する解を求めます。
**ステップ 1：各ラウンドの選択を考え、状態を定義して、$dp$ テーブルを得る**
状態 $[i, a]$ に対応する部分問題は、**先頭 $i$ 種類の硬貨で金額 $a$ を作るための最小硬貨枚数**であり、これを $dp[i, a]$ と表します。
2 次元 $dp$ テーブルのサイズは $(n+1) \times (amt+1)$ です。
**ステップ 2：最適部分構造を見つけ、状態遷移方程式を導く**
本問の状態遷移方程式は、完全ナップサック問題と比べて次の 2 点が異なります。
- 本問では最小値を求めるため、演算子 $\max()$ を $\min()$ に変更する必要があります。
- 最適化の対象は品物価値ではなく硬貨枚数であるため、硬貨を選んだときは $+1$ すれば十分です。
$$
dp[i, a] = \min(dp[i-1, a], dp[i, a - coins[i-1]] + 1)
$$
**ステップ 3：境界条件と状態遷移順序を決める**
目標金額が $0$ のとき、それを作るための最小硬貨枚数は $0$ です。つまり、先頭列のすべての $dp[i, 0]$ は $0$ になります。
硬貨が 1 枚もない場合、**任意の $> 0$ の目標金額を作ることはできません**。これは無効解です。状態遷移方程式内の $\min()$ 関数が無効解を識別して除外できるように、それらを $+ \infty$ で表すことを考えます。すなわち、先頭行のすべての $dp[0, a]$ を $+ \infty$ とします。
### 2. コード実装
多くのプログラミング言語には $+ \infty$ を表す変数が用意されていないため、通常は整数型 `int` の最大値で代用します。しかし、その場合は大きな数のオーバーフローが起こり得ます。状態遷移方程式中の $+ 1$ 操作で桁あふれが発生する可能性があるためです。
そのため、ここでは数値 $amt + 1$ を無効解の表現として用います。金額 $amt$ を作るための硬貨枚数は最大でも $amt$ 枚だからです。最後に返す前に、$dp[n, amt]$ が $amt + 1$ に等しいかを判定し、等しければ $-1$ を返して目標金額を作れないことを表します。コードは次のとおりです。
=== "Python"
```python title="coin_change.py"
def coin_change_dp(coins: list[int], amt: int) -> int:
"""コイン両替：動的計画法"""
n = len(coins)
MAX = amt + 1
# dp テーブルを初期化
dp = [[0] * (amt + 1) for _ in range(n + 1)]
# 状態遷移：先頭行と先頭列
for a in range(1, amt + 1):
dp[0][a] = MAX
# 状態遷移: 残りの行と列
for i in range(1, n + 1):
for a in range(1, amt + 1):
if coins[i - 1] > a:
# 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i - 1][a]
else:
# 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[i][a] = min(dp[i - 1][a], dp[i][a - coins[i - 1]] + 1)
return dp[n][amt] if dp[n][amt] != MAX else -1
```
=== "C++"
```cpp title="coin_change.cpp"
/* コイン両替：動的計画法 */
int coinChangeDP(vector &coins, int amt) {
int n = coins.size();
int MAX = amt + 1;
// dp テーブルを初期化
vector> dp(n + 1, vector(amt + 1, 0));
// 状態遷移：先頭行と先頭列
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
dp[0][a] = MAX;
}
// 状態遷移: 残りの行と列
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i - 1][a];
} else {
// 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[i][a] = min(dp[i - 1][a], dp[i][a - coins[i - 1]] + 1);
}
}
}
return dp[n][amt] != MAX ? dp[n][amt] : -1;
}
```
=== "Java"
```java title="coin_change.java"
/* コイン両替：動的計画法 */
int coinChangeDP(int[] coins, int amt) {
int n = coins.length;
int MAX = amt + 1;
// dp テーブルを初期化
int[][] dp = new int[n + 1][amt + 1];
// 状態遷移：先頭行と先頭列
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
dp[0][a] = MAX;
}
// 状態遷移: 残りの行と列
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i - 1][a];
} else {
// 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[i][a] = Math.min(dp[i - 1][a], dp[i][a - coins[i - 1]] + 1);
}
}
}
return dp[n][amt] != MAX ? dp[n][amt] : -1;
}
```
=== "C#"
```csharp title="coin_change.cs"
/* コイン両替：動的計画法 */
int CoinChangeDP(int[] coins, int amt) {
int n = coins.Length;
int MAX = amt + 1;
// dp テーブルを初期化
int[,] dp = new int[n + 1, amt + 1];
// 状態遷移：先頭行と先頭列
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
dp[0, a] = MAX;
}
// 状態遷移: 残りの行と列
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i, a] = dp[i - 1, a];
} else {
// 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[i, a] = Math.Min(dp[i - 1, a], dp[i, a - coins[i - 1]] + 1);
}
}
}
return dp[n, amt] != MAX ? dp[n, amt] : -1;
}
```
=== "Go"
```go title="coin_change.go"
/* コイン両替：動的計画法 */
func coinChangeDP(coins []int, amt int) int {
n := len(coins)
max := amt + 1
// dp テーブルを初期化
dp := make([][]int, n+1)
for i := 0; i <= n; i++ {
dp[i] = make([]int, amt+1)
}
// 状態遷移：先頭行と先頭列
for a := 1; a <= amt; a++ {
dp[0][a] = max
}
// 状態遷移: 残りの行と列
for i := 1; i <= n; i++ {
for a := 1; a <= amt; a++ {
if coins[i-1] > a {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i-1][a]
} else {
// 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[i][a] = int(math.Min(float64(dp[i-1][a]), float64(dp[i][a-coins[i-1]]+1)))
}
}
}
if dp[n][amt] != max {
return dp[n][amt]
}
return -1
}
```
=== "Swift"
```swift title="coin_change.swift"
/* コイン両替：動的計画法 */
func coinChangeDP(coins: [Int], amt: Int) -> Int {
let n = coins.count
let MAX = amt + 1
// dp テーブルを初期化
var dp = Array(repeating: Array(repeating: 0, count: amt + 1), count: n + 1)
// 状態遷移：先頭行と先頭列
for a in 1 ... amt {
dp[0][a] = MAX
}
// 状態遷移: 残りの行と列
for i in 1 ... n {
for a in 1 ... amt {
if coins[i - 1] > a {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i - 1][a]
} else {
// 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[i][a] = min(dp[i - 1][a], dp[i][a - coins[i - 1]] + 1)
}
}
}
return dp[n][amt] != MAX ? dp[n][amt] : -1
}
```
=== "JS"
```javascript title="coin_change.js"
/* コイン両替：動的計画法 */
function coinChangeDP(coins, amt) {
const n = coins.length;
const MAX = amt + 1;
// dp テーブルを初期化
const dp = Array.from({ length: n + 1 }, () =>
Array.from({ length: amt + 1 }, () => 0)
);
// 状態遷移：先頭行と先頭列
for (let a = 1; a <= amt; a++) {
dp[0][a] = MAX;
}
// 状態遷移: 残りの行と列
for (let i = 1; i <= n; i++) {
for (let a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i - 1][a];
} else {
// 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[i][a] = Math.min(dp[i - 1][a], dp[i][a - coins[i - 1]] + 1);
}
}
}
return dp[n][amt] !== MAX ? dp[n][amt] : -1;
}
```
=== "TS"
```typescript title="coin_change.ts"
/* コイン両替：動的計画法 */
function coinChangeDP(coins: Array, amt: number): number {
const n = coins.length;
const MAX = amt + 1;
// dp テーブルを初期化
const dp = Array.from({ length: n + 1 }, () =>
Array.from({ length: amt + 1 }, () => 0)
);
// 状態遷移：先頭行と先頭列
for (let a = 1; a <= amt; a++) {
dp[0][a] = MAX;
}
// 状態遷移: 残りの行と列
for (let i = 1; i <= n; i++) {
for (let a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i - 1][a];
} else {
// 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[i][a] = Math.min(dp[i - 1][a], dp[i][a - coins[i - 1]] + 1);
}
}
}
return dp[n][amt] !== MAX ? dp[n][amt] : -1;
}
```
=== "Dart"
```dart title="coin_change.dart"
/* コイン両替：動的計画法 */
int coinChangeDP(List coins, int amt) {
int n = coins.length;
int MAX = amt + 1;
// dp テーブルを初期化
List> dp = List.generate(n + 1, (index) => List.filled(amt + 1, 0));
// 状態遷移：先頭行と先頭列
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
dp[0][a] = MAX;
}
// 状態遷移: 残りの行と列
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i - 1][a];
} else {
// 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[i][a] = min(dp[i - 1][a], dp[i][a - coins[i - 1]] + 1);
}
}
}
return dp[n][amt] != MAX ? dp[n][amt] : -1;
}
```
=== "Rust"
```rust title="coin_change.rs"
/* コイン両替：動的計画法 */
fn coin_change_dp(coins: &[i32], amt: usize) -> i32 {
let n = coins.len();
let max = amt + 1;
// dp テーブルを初期化
let mut dp = vec![vec![0; amt + 1]; n + 1];
// 状態遷移：先頭行と先頭列
for a in 1..=amt {
dp[0][a] = max;
}
// 状態遷移: 残りの行と列
for i in 1..=n {
for a in 1..=amt {
if coins[i - 1] > a as i32 {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i - 1][a];
} else {
// 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[i][a] = std::cmp::min(dp[i - 1][a], dp[i][a - coins[i - 1] as usize] + 1);
}
}
}
if dp[n][amt] != max {
return dp[n][amt] as i32;
} else {
-1
}
}
```
=== "C"
```c title="coin_change.c"
/* コイン両替：動的計画法 */
int coinChangeDP(int coins[], int amt, int coinsSize) {
int n = coinsSize;
int MAX = amt + 1;
// dp テーブルを初期化
int **dp = malloc((n + 1) * sizeof(int *));
for (int i = 0; i <= n; i++) {
dp[i] = calloc(amt + 1, sizeof(int));
}
// 状態遷移：先頭行と先頭列
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
dp[0][a] = MAX;
}
// 状態遷移: 残りの行と列
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i - 1][a];
} else {
// 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[i][a] = myMin(dp[i - 1][a], dp[i][a - coins[i - 1]] + 1);
}
}
}
int res = dp[n][amt] != MAX ? dp[n][amt] : -1;
// メモリを解放する
for (int i = 0; i <= n; i++) {
free(dp[i]);
}
free(dp);
return res;
}
```
=== "Kotlin"
```kotlin title="coin_change.kt"
/* コイン両替：動的計画法 */
fun coinChangeDP(coins: IntArray, amt: Int): Int {
val n = coins.size
val MAX = amt + 1
// dp テーブルを初期化
val dp = Array(n + 1) { IntArray(amt + 1) }
// 状態遷移：先頭行と先頭列
for (a in 1..amt) {
dp[0][a] = MAX
}
// 状態遷移: 残りの行と列
for (i in 1..n) {
for (a in 1..amt) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i - 1][a]
} else {
// 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[i][a] = min(dp[i - 1][a], dp[i][a - coins[i - 1]] + 1)
}
}
}
return if (dp[n][amt] != MAX) dp[n][amt] else -1
}
```
=== "Ruby"
```ruby title="coin_change.rb"
### コイン両替：動的計画法 ###
def coin_change_dp(coins, amt)
n = coins.length
_MAX = amt + 1
# dp テーブルを初期化
dp = Array.new(n + 1) { Array.new(amt + 1, 0) }
# 状態遷移：先頭行と先頭列
(1...(amt + 1)).each { |a| dp[0][a] = _MAX }
# 状態遷移: 残りの行と列
for i in 1...(n + 1)
for a in 1...(amt + 1)
if coins[i - 1] > a
# 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i - 1][a]
else
# 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
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
```
??? pythontutor "コードの可視化"
次の図は硬貨交換の動的計画法の過程を示しており、完全ナップサック問題と非常によく似ています。
=== "<1>"
{ class="animation-figure" }
=== "<2>"
{ class="animation-figure" }
=== "<3>"
{ class="animation-figure" }
=== "<4>"
{ class="animation-figure" }
=== "<5>"
{ class="animation-figure" }
=== "<6>"
{ class="animation-figure" }
=== "<7>"
{ class="animation-figure" }
=== "<8>"
{ class="animation-figure" }
=== "<9>"
{ class="animation-figure" }
=== "<10>"
{ class="animation-figure" }
=== "<11>"
{ class="animation-figure" }
=== "<12>"
{ class="animation-figure" }
=== "<13>"
{ class="animation-figure" }
=== "<14>"
{ class="animation-figure" }
=== "<15>"
{ class="animation-figure" }
図 14-25 硬貨交換問題の動的計画法の過程
### 3. 空間最適化
硬貨交換の空間最適化の方法は、完全ナップサック問題と同じです。
=== "Python"
```python title="coin_change.py"
def coin_change_dp_comp(coins: list[int], amt: int) -> int:
"""コイン交換：空間最適化後の動的計画法"""
n = len(coins)
MAX = amt + 1
# dp テーブルを初期化
dp = [MAX] * (amt + 1)
dp[0] = 0
# 状態遷移
for i in range(1, n + 1):
# 順方向に走査する
for a in range(1, amt + 1):
if coins[i - 1] > a:
# 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a]
else:
# 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[a] = min(dp[a], dp[a - coins[i - 1]] + 1)
return dp[amt] if dp[amt] != MAX else -1
```
=== "C++"
```cpp title="coin_change.cpp"
/* コイン交換：空間最適化後の動的計画法 */
int coinChangeDPComp(vector &coins, int amt) {
int n = coins.size();
int MAX = amt + 1;
// dp テーブルを初期化
vector dp(amt + 1, MAX);
dp[0] = 0;
// 状態遷移
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a];
} else {
// 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[a] = min(dp[a], dp[a - coins[i - 1]] + 1);
}
}
}
return dp[amt] != MAX ? dp[amt] : -1;
}
```
=== "Java"
```java title="coin_change.java"
/* コイン交換：空間最適化後の動的計画法 */
int coinChangeDPComp(int[] coins, int amt) {
int n = coins.length;
int MAX = amt + 1;
// dp テーブルを初期化
int[] dp = new int[amt + 1];
Arrays.fill(dp, MAX);
dp[0] = 0;
// 状態遷移
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a];
} else {
// 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[a] = Math.min(dp[a], dp[a - coins[i - 1]] + 1);
}
}
}
return dp[amt] != MAX ? dp[amt] : -1;
}
```
=== "C#"
```csharp title="coin_change.cs"
/* コイン交換：空間最適化後の動的計画法 */
int CoinChangeDPComp(int[] coins, int amt) {
int n = coins.Length;
int MAX = amt + 1;
// dp テーブルを初期化
int[] dp = new int[amt + 1];
Array.Fill(dp, MAX);
dp[0] = 0;
// 状態遷移
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a];
} else {
// 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[a] = Math.Min(dp[a], dp[a - coins[i - 1]] + 1);
}
}
}
return dp[amt] != MAX ? dp[amt] : -1;
}
```
=== "Go"
```go title="coin_change.go"
/* コイン両替：動的計画法 */
func coinChangeDPComp(coins []int, amt int) int {
n := len(coins)
max := amt + 1
// dp テーブルを初期化
dp := make([]int, amt+1)
for i := 1; i <= amt; i++ {
dp[i] = max
}
// 状態遷移
for i := 1; i <= n; i++ {
// 順方向に走査する
for a := 1; a <= amt; a++ {
if coins[i-1] > a {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a]
} else {
// 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[a] = int(math.Min(float64(dp[a]), float64(dp[a-coins[i-1]]+1)))
}
}
}
if dp[amt] != max {
return dp[amt]
}
return -1
}
```
=== "Swift"
```swift title="coin_change.swift"
/* コイン交換：空間最適化後の動的計画法 */
func coinChangeDPComp(coins: [Int], amt: Int) -> Int {
let n = coins.count
let MAX = amt + 1
// dp テーブルを初期化
var dp = Array(repeating: MAX, count: amt + 1)
dp[0] = 0
// 状態遷移
for i in 1 ... n {
for a in 1 ... amt {
if coins[i - 1] > a {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a]
} else {
// 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[a] = min(dp[a], dp[a - coins[i - 1]] + 1)
}
}
}
return dp[amt] != MAX ? dp[amt] : -1
}
```
=== "JS"
```javascript title="coin_change.js"
/* コイン交換：空間最適化後の動的計画法 */
function coinChangeDPComp(coins, amt) {
const n = coins.length;
const MAX = amt + 1;
// dp テーブルを初期化
const dp = Array.from({ length: amt + 1 }, () => MAX);
dp[0] = 0;
// 状態遷移
for (let i = 1; i <= n; i++) {
for (let a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a];
} else {
// 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[a] = Math.min(dp[a], dp[a - coins[i - 1]] + 1);
}
}
}
return dp[amt] !== MAX ? dp[amt] : -1;
}
```
=== "TS"
```typescript title="coin_change.ts"
/* コイン交換：空間最適化後の動的計画法 */
function coinChangeDPComp(coins: Array, amt: number): number {
const n = coins.length;
const MAX = amt + 1;
// dp テーブルを初期化
const dp = Array.from({ length: amt + 1 }, () => MAX);
dp[0] = 0;
// 状態遷移
for (let i = 1; i <= n; i++) {
for (let a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a];
} else {
// 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[a] = Math.min(dp[a], dp[a - coins[i - 1]] + 1);
}
}
}
return dp[amt] !== MAX ? dp[amt] : -1;
}
```
=== "Dart"
```dart title="coin_change.dart"
/* コイン交換：空間最適化後の動的計画法 */
int coinChangeDPComp(List coins, int amt) {
int n = coins.length;
int MAX = amt + 1;
// dp テーブルを初期化
List dp = List.filled(amt + 1, MAX);
dp[0] = 0;
// 状態遷移
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a];
} else {
// 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[a] = min(dp[a], dp[a - coins[i - 1]] + 1);
}
}
}
return dp[amt] != MAX ? dp[amt] : -1;
}
```
=== "Rust"
```rust title="coin_change.rs"
/* コイン交換：空間最適化後の動的計画法 */
fn coin_change_dp_comp(coins: &[i32], amt: usize) -> i32 {
let n = coins.len();
let max = amt + 1;
// dp テーブルを初期化
let mut dp = vec![0; amt + 1];
dp.fill(max);
dp[0] = 0;
// 状態遷移
for i in 1..=n {
for a in 1..=amt {
if coins[i - 1] > a as i32 {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a];
} else {
// 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[a] = std::cmp::min(dp[a], dp[a - coins[i - 1] as usize] + 1);
}
}
}
if dp[amt] != max {
return dp[amt] as i32;
} else {
-1
}
}
```
=== "C"
```c title="coin_change.c"
/* コイン交換：空間最適化後の動的計画法 */
int coinChangeDPComp(int coins[], int amt, int coinsSize) {
int n = coinsSize;
int MAX = amt + 1;
// dp テーブルを初期化
int *dp = malloc((amt + 1) * sizeof(int));
for (int j = 1; j <= amt; j++) {
dp[j] = MAX;
}
dp[0] = 0;
// 状態遷移
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a];
} else {
// 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[a] = myMin(dp[a], dp[a - coins[i - 1]] + 1);
}
}
}
int res = dp[amt] != MAX ? dp[amt] : -1;
// メモリを解放する
free(dp);
return res;
}
```
=== "Kotlin"
```kotlin title="coin_change.kt"
/* コイン交換：空間最適化後の動的計画法 */
fun coinChangeDPComp(coins: IntArray, amt: Int): Int {
val n = coins.size
val MAX = amt + 1
// dp テーブルを初期化
val dp = IntArray(amt + 1)
dp.fill(MAX)
dp[0] = 0
// 状態遷移
for (i in 1..n) {
for (a in 1..amt) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a]
} else {
// 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[a] = min(dp[a], dp[a - coins[i - 1]] + 1)
}
}
}
return if (dp[amt] != MAX) dp[amt] else -1
}
```
=== "Ruby"
```ruby title="coin_change.rb"
### コイン両替：空間最適化した動的計画法 ###
def coin_change_dp_comp(coins, amt)
n = coins.length
_MAX = amt + 1
# dp テーブルを初期化
dp = Array.new(amt + 1, _MAX)
dp[0] = 0
# 状態遷移
for i in 1...(n + 1)
# 順方向に走査する
for a in 1...(amt + 1)
if coins[i - 1] > a
# 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a]
else
# 硬貨 i を選ばない場合と選ぶ場合の小さい方
dp[a] = [dp[a], dp[a - coins[i - 1]] + 1].min
end
end
end
dp[amt] != _MAX ? dp[amt] : -1
end
```
??? pythontutor "コードの可視化"
## 14.5.3 硬貨交換問題 II
!!! question
$n$ 種類の硬貨が与えられ、$i$ 番目の硬貨の額面は $coins[i - 1]$ 、目標金額は $amt$ です。各硬貨は繰り返し選択できるとして、**目標金額を作る硬貨の組合せ数**を求めてください。例を以下の図に示します。
{ class="animation-figure" }
図 14-26 硬貨交換問題 II のサンプルデータ
### 1. 動的計画法の考え方
前問と比べて、本問の目的は組合せ数を求めることです。そのため、部分問題は **先頭 $i$ 種類の硬貨で金額 $a$ を作れる組合せ数** になります。一方、$dp$ テーブルは引き続きサイズ $(n+1) \times (amt + 1)$ の 2 次元行列です。
現在の状態における組合せ数は、現在の硬貨を選ばない場合と選ぶ場合の 2 つの選択肢の組合せ数の和に等しくなります。状態遷移方程式は次のとおりです。
$$
dp[i, a] = dp[i-1, a] + dp[i, a - coins[i-1]]
$$
目標金額が $0$ のときは、どの硬貨も選ばなくても目標金額を作れるため、先頭列のすべての $dp[i, 0]$ を $1$ に初期化します。硬貨がないときは、任意の $>0$ の目標金額を作れないため、先頭行のすべての $dp[0, a]$ は $0$ になります。
### 2. コード実装
=== "Python"
```python title="coin_change_ii.py"
def coin_change_ii_dp(coins: list[int], amt: int) -> int:
"""コイン両替 II：動的計画法"""
n = len(coins)
# dp テーブルを初期化
dp = [[0] * (amt + 1) for _ in range(n + 1)]
# 先頭列を初期化する
for i in range(n + 1):
dp[i][0] = 1
# 状態遷移
for i in range(1, n + 1):
for a in range(1, amt + 1):
if coins[i - 1] > a:
# 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i - 1][a]
else:
# コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[i][a] = dp[i - 1][a] + dp[i][a - coins[i - 1]]
return dp[n][amt]
```
=== "C++"
```cpp title="coin_change_ii.cpp"
/* コイン両替 II：動的計画法 */
int coinChangeIIDP(vector &coins, int amt) {
int n = coins.size();
// dp テーブルを初期化
vector> dp(n + 1, vector(amt + 1, 0));
// 先頭列を初期化する
for (int i = 0; i <= n; i++) {
dp[i][0] = 1;
}
// 状態遷移
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i - 1][a];
} else {
// コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[i][a] = dp[i - 1][a] + dp[i][a - coins[i - 1]];
}
}
}
return dp[n][amt];
}
```
=== "Java"
```java title="coin_change_ii.java"
/* コイン両替 II：動的計画法 */
int coinChangeIIDP(int[] coins, int amt) {
int n = coins.length;
// dp テーブルを初期化
int[][] dp = new int[n + 1][amt + 1];
// 先頭列を初期化する
for (int i = 0; i <= n; i++) {
dp[i][0] = 1;
}
// 状態遷移
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i - 1][a];
} else {
// コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[i][a] = dp[i - 1][a] + dp[i][a - coins[i - 1]];
}
}
}
return dp[n][amt];
}
```
=== "C#"
```csharp title="coin_change_ii.cs"
/* コイン両替 II：動的計画法 */
int CoinChangeIIDP(int[] coins, int amt) {
int n = coins.Length;
// dp テーブルを初期化
int[,] dp = new int[n + 1, amt + 1];
// 先頭列を初期化する
for (int i = 0; i <= n; i++) {
dp[i, 0] = 1;
}
// 状態遷移
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i, a] = dp[i - 1, a];
} else {
// コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[i, a] = dp[i - 1, a] + dp[i, a - coins[i - 1]];
}
}
}
return dp[n, amt];
}
```
=== "Go"
```go title="coin_change_ii.go"
/* コイン両替 II：動的計画法 */
func coinChangeIIDP(coins []int, amt int) int {
n := len(coins)
// dp テーブルを初期化
dp := make([][]int, n+1)
for i := 0; i <= n; i++ {
dp[i] = make([]int, amt+1)
}
// 先頭列を初期化する
for i := 0; i <= n; i++ {
dp[i][0] = 1
}
// 状態遷移: 残りの行と列
for i := 1; i <= n; i++ {
for a := 1; a <= amt; a++ {
if coins[i-1] > a {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i-1][a]
} else {
// コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[i][a] = dp[i-1][a] + dp[i][a-coins[i-1]]
}
}
}
return dp[n][amt]
}
```
=== "Swift"
```swift title="coin_change_ii.swift"
/* コイン両替 II：動的計画法 */
func coinChangeIIDP(coins: [Int], amt: Int) -> Int {
let n = coins.count
// dp テーブルを初期化
var dp = Array(repeating: Array(repeating: 0, count: amt + 1), count: n + 1)
// 先頭列を初期化する
for i in 0 ... n {
dp[i][0] = 1
}
// 状態遷移
for i in 1 ... n {
for a in 1 ... amt {
if coins[i - 1] > a {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i - 1][a]
} else {
// コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[i][a] = dp[i - 1][a] + dp[i][a - coins[i - 1]]
}
}
}
return dp[n][amt]
}
```
=== "JS"
```javascript title="coin_change_ii.js"
/* コイン両替 II：動的計画法 */
function coinChangeIIDP(coins, amt) {
const n = coins.length;
// dp テーブルを初期化
const dp = Array.from({ length: n + 1 }, () =>
Array.from({ length: amt + 1 }, () => 0)
);
// 先頭列を初期化する
for (let i = 0; i <= n; i++) {
dp[i][0] = 1;
}
// 状態遷移
for (let i = 1; i <= n; i++) {
for (let a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i - 1][a];
} else {
// コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[i][a] = dp[i - 1][a] + dp[i][a - coins[i - 1]];
}
}
}
return dp[n][amt];
}
```
=== "TS"
```typescript title="coin_change_ii.ts"
/* コイン両替 II：動的計画法 */
function coinChangeIIDP(coins: Array, amt: number): number {
const n = coins.length;
// dp テーブルを初期化
const dp = Array.from({ length: n + 1 }, () =>
Array.from({ length: amt + 1 }, () => 0)
);
// 先頭列を初期化する
for (let i = 0; i <= n; i++) {
dp[i][0] = 1;
}
// 状態遷移
for (let i = 1; i <= n; i++) {
for (let a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i - 1][a];
} else {
// コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[i][a] = dp[i - 1][a] + dp[i][a - coins[i - 1]];
}
}
}
return dp[n][amt];
}
```
=== "Dart"
```dart title="coin_change_ii.dart"
/* コイン両替 II：動的計画法 */
int coinChangeIIDP(List coins, int amt) {
int n = coins.length;
// dp テーブルを初期化
List> dp = List.generate(n + 1, (index) => List.filled(amt + 1, 0));
// 先頭列を初期化する
for (int i = 0; i <= n; i++) {
dp[i][0] = 1;
}
// 状態遷移
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i - 1][a];
} else {
// コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[i][a] = dp[i - 1][a] + dp[i][a - coins[i - 1]];
}
}
}
return dp[n][amt];
}
```
=== "Rust"
```rust title="coin_change_ii.rs"
/* コイン両替 II：動的計画法 */
fn coin_change_ii_dp(coins: &[i32], amt: usize) -> i32 {
let n = coins.len();
// dp テーブルを初期化
let mut dp = vec![vec![0; amt + 1]; n + 1];
// 先頭列を初期化する
for i in 0..=n {
dp[i][0] = 1;
}
// 状態遷移
for i in 1..=n {
for a in 1..=amt {
if coins[i - 1] > a as i32 {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i - 1][a];
} else {
// コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[i][a] = dp[i - 1][a] + dp[i][a - coins[i - 1] as usize];
}
}
}
dp[n][amt]
}
```
=== "C"
```c title="coin_change_ii.c"
/* コイン両替 II：動的計画法 */
int coinChangeIIDP(int coins[], int amt, int coinsSize) {
int n = coinsSize;
// dp テーブルを初期化
int **dp = malloc((n + 1) * sizeof(int *));
for (int i = 0; i <= n; i++) {
dp[i] = calloc(amt + 1, sizeof(int));
}
// 先頭列を初期化する
for (int i = 0; i <= n; i++) {
dp[i][0] = 1;
}
// 状態遷移
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i - 1][a];
} else {
// コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[i][a] = dp[i - 1][a] + dp[i][a - coins[i - 1]];
}
}
}
int res = dp[n][amt];
// メモリを解放する
for (int i = 0; i <= n; i++) {
free(dp[i]);
}
free(dp);
return res;
}
```
=== "Kotlin"
```kotlin title="coin_change_ii.kt"
/* コイン両替 II：動的計画法 */
fun coinChangeIIDP(coins: IntArray, amt: Int): Int {
val n = coins.size
// dp テーブルを初期化
val dp = Array(n + 1) { IntArray(amt + 1) }
// 先頭列を初期化する
for (i in 0..n) {
dp[i][0] = 1
}
// 状態遷移
for (i in 1..n) {
for (a in 1..amt) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i - 1][a]
} else {
// コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[i][a] = dp[i - 1][a] + dp[i][a - coins[i - 1]]
}
}
}
return dp[n][amt]
}
```
=== "Ruby"
```ruby title="coin_change_ii.rb"
### コイン両替 II：動的計画法 ###
def coin_change_ii_dp(coins, amt)
n = coins.length
# dp テーブルを初期化
dp = Array.new(n + 1) { Array.new(amt + 1, 0) }
# 先頭列を初期化する
(0...(n + 1)).each { |i| dp[i][0] = 1 }
# 状態遷移
for i in 1...(n + 1)
for a in 1...(amt + 1)
if coins[i - 1] > a
# 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[i][a] = dp[i - 1][a]
else
# コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[i][a] = dp[i - 1][a] + dp[i][a - coins[i - 1]]
end
end
end
dp[n][amt]
end
```
??? pythontutor "コードの可視化"
### 3. 空間最適化
空間最適化の方法も同様で、硬貨の次元を削除するだけです。
=== "Python"
```python title="coin_change_ii.py"
def coin_change_ii_dp_comp(coins: list[int], amt: int) -> int:
"""コイン両替 II：空間最適化した動的計画法"""
n = len(coins)
# dp テーブルを初期化
dp = [0] * (amt + 1)
dp[0] = 1
# 状態遷移
for i in range(1, n + 1):
# 順方向に走査する
for a in range(1, amt + 1):
if coins[i - 1] > a:
# 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a]
else:
# コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[a] = dp[a] + dp[a - coins[i - 1]]
return dp[amt]
```
=== "C++"
```cpp title="coin_change_ii.cpp"
/* コイン両替 II：空間最適化した動的計画法 */
int coinChangeIIDPComp(vector &coins, int amt) {
int n = coins.size();
// dp テーブルを初期化
vector dp(amt + 1, 0);
dp[0] = 1;
// 状態遷移
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a];
} else {
// コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[a] = dp[a] + dp[a - coins[i - 1]];
}
}
}
return dp[amt];
}
```
=== "Java"
```java title="coin_change_ii.java"
/* コイン両替 II：空間最適化した動的計画法 */
int coinChangeIIDPComp(int[] coins, int amt) {
int n = coins.length;
// dp テーブルを初期化
int[] dp = new int[amt + 1];
dp[0] = 1;
// 状態遷移
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a];
} else {
// コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[a] = dp[a] + dp[a - coins[i - 1]];
}
}
}
return dp[amt];
}
```
=== "C#"
```csharp title="coin_change_ii.cs"
/* コイン両替 II：空間最適化した動的計画法 */
int CoinChangeIIDPComp(int[] coins, int amt) {
int n = coins.Length;
// dp テーブルを初期化
int[] dp = new int[amt + 1];
dp[0] = 1;
// 状態遷移
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a];
} else {
// コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[a] = dp[a] + dp[a - coins[i - 1]];
}
}
}
return dp[amt];
}
```
=== "Go"
```go title="coin_change_ii.go"
/* コイン両替 II：空間最適化した動的計画法 */
func coinChangeIIDPComp(coins []int, amt int) int {
n := len(coins)
// dp テーブルを初期化
dp := make([]int, amt+1)
dp[0] = 1
// 状態遷移
for i := 1; i <= n; i++ {
// 順方向に走査する
for a := 1; a <= amt; a++ {
if coins[i-1] > a {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a]
} else {
// コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[a] = dp[a] + dp[a-coins[i-1]]
}
}
}
return dp[amt]
}
```
=== "Swift"
```swift title="coin_change_ii.swift"
/* コイン両替 II：空間最適化した動的計画法 */
func coinChangeIIDPComp(coins: [Int], amt: Int) -> Int {
let n = coins.count
// dp テーブルを初期化
var dp = Array(repeating: 0, count: amt + 1)
dp[0] = 1
// 状態遷移
for i in 1 ... n {
for a in 1 ... amt {
if coins[i - 1] > a {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a]
} else {
// コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[a] = dp[a] + dp[a - coins[i - 1]]
}
}
}
return dp[amt]
}
```
=== "JS"
```javascript title="coin_change_ii.js"
/* コイン両替 II：空間最適化した動的計画法 */
function coinChangeIIDPComp(coins, amt) {
const n = coins.length;
// dp テーブルを初期化
const dp = Array.from({ length: amt + 1 }, () => 0);
dp[0] = 1;
// 状態遷移
for (let i = 1; i <= n; i++) {
for (let a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a];
} else {
// コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[a] = dp[a] + dp[a - coins[i - 1]];
}
}
}
return dp[amt];
}
```
=== "TS"
```typescript title="coin_change_ii.ts"
/* コイン両替 II：空間最適化した動的計画法 */
function coinChangeIIDPComp(coins: Array, amt: number): number {
const n = coins.length;
// dp テーブルを初期化
const dp = Array.from({ length: amt + 1 }, () => 0);
dp[0] = 1;
// 状態遷移
for (let i = 1; i <= n; i++) {
for (let a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a];
} else {
// コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[a] = dp[a] + dp[a - coins[i - 1]];
}
}
}
return dp[amt];
}
```
=== "Dart"
```dart title="coin_change_ii.dart"
/* コイン両替 II：空間最適化した動的計画法 */
int coinChangeIIDPComp(List coins, int amt) {
int n = coins.length;
// dp テーブルを初期化
List dp = List.filled(amt + 1, 0);
dp[0] = 1;
// 状態遷移
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a];
} else {
// コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[a] = dp[a] + dp[a - coins[i - 1]];
}
}
}
return dp[amt];
}
```
=== "Rust"
```rust title="coin_change_ii.rs"
/* コイン両替 II：空間最適化した動的計画法 */
fn coin_change_ii_dp_comp(coins: &[i32], amt: usize) -> i32 {
let n = coins.len();
// dp テーブルを初期化
let mut dp = vec![0; amt + 1];
dp[0] = 1;
// 状態遷移
for i in 1..=n {
for a in 1..=amt {
if coins[i - 1] > a as i32 {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a];
} else {
// コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[a] = dp[a] + dp[a - coins[i - 1] as usize];
}
}
}
dp[amt]
}
```
=== "C"
```c title="coin_change_ii.c"
/* コイン両替 II：空間最適化した動的計画法 */
int coinChangeIIDPComp(int coins[], int amt, int coinsSize) {
int n = coinsSize;
// dp テーブルを初期化
int *dp = calloc(amt + 1, sizeof(int));
dp[0] = 1;
// 状態遷移
for (int i = 1; i <= n; i++) {
for (int a = 1; a <= amt; a++) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a];
} else {
// コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[a] = dp[a] + dp[a - coins[i - 1]];
}
}
}
int res = dp[amt];
// メモリを解放する
free(dp);
return res;
}
```
=== "Kotlin"
```kotlin title="coin_change_ii.kt"
/* コイン両替 II：空間最適化した動的計画法 */
fun coinChangeIIDPComp(coins: IntArray, amt: Int): Int {
val n = coins.size
// dp テーブルを初期化
val dp = IntArray(amt + 1)
dp[0] = 1
// 状態遷移
for (i in 1..n) {
for (a in 1..amt) {
if (coins[i - 1] > a) {
// 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a]
} else {
// コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[a] = dp[a] + dp[a - coins[i - 1]]
}
}
}
return dp[amt]
}
```
=== "Ruby"
```ruby title="coin_change_ii.rb"
### コイン両替 II：空間最適化した動的計画法 ###
def coin_change_ii_dp_comp(coins, amt)
n = coins.length
# dp テーブルを初期化
dp = Array.new(amt + 1, 0)
dp[0] = 1
# 状態遷移
for i in 1...(n + 1)
# 順方向に走査する
for a in 1...(amt + 1)
if coins[i - 1] > a
# 目標金額を超えるなら硬貨 i は選ばない
dp[a] = dp[a]
else
# コイン i を選ばない場合と選ぶ場合の和
dp[a] = dp[a] + dp[a - coins[i - 1]]
end
end
end
dp[amt]
end
```
??? pythontutor "コードの可視化"