我有一个nxm个由非负整数组成的矩阵。例如:
2 3 4 7 1
1 5 2 6 2
4 3 4 2 1
2 1 2 4 1
3 1 3 4 1
2 1 4 3 2
6 9 1 6 4
“投下炸弹”会使目标细胞及其所有八个邻居的数量减少一个，直到最小值为零。
x x x
x X x
x x x
什么样的算法可以确定将所有细胞减少到零所需的最少炸弹数量?
B选项(因为我不是一个细心的读者)
事实上，问题的第一个版本并不是我要寻找的答案。我没有仔细阅读整个任务，有额外的约束条件，让我们说:
那么简单的问题是，当行中的序列必须是非递增的:
8 7 6 6 5是可能的输入序列
7 8 5 5 2是不可能的，因为7 -> 8在一个序列中增长。
也许为“简单”的问题找到答案会有助于为更难的问题找到解决方案。
PS:我相信当我们有几个相同的情况需要最少的炸弹来清除上面的线时，我们会选择在“左侧”使用最多炸弹的一个。还有什么证据是正确的吗?
当前回答
这可以用深度为O(3^(n))的树来求解。其中n是所有平方和。
首先考虑用O(9^n)树来解决问题是很简单的，只需考虑所有可能的爆炸位置。有关示例，请参阅Alfe的实现。
接下来我们意识到，我们可以从下往上轰炸，仍然得到一个最小的轰炸模式。
Start from the bottom left corner. Bomb it to oblivion with the only plays that make sense (up and to the right). Move one square to the right. While the target has a value greater than zero, consider each of the 2 plays that make sense (straight up or up and to the right), reduce the value of the target by one, and make a new branch for each possibility. Move another to the right. While the target has a value greater than zero, consider each of the 3 plays that make sense (up left, up, and up right), reduce the value of the target by one, and make a new branch for each possibility. Repeat steps 5 and 6 until the row is eliminated. Move up a row and repeat steps 1 to 7 until the puzzle is solved.
这个算法是正确的，因为
有必要在某一时刻完成每一行。 完成一行总是需要一个游戏，一个在上面，一个在下面，或者在这一行内。 选择在未清除的最低行之上的玩法总是比选择在该行之上或该行之下的玩法更好。
在实践中，这个算法通常会比它的理论最大值做得更好，因为它会定期轰炸邻居并减少搜索的大小。如果我们假设每次轰炸都会减少4个额外目标的价值，那么我们的算法将运行在O(3^(n/4))或大约O(1.3^n)。
Because this algorithm is still exponential, it would be wise to limit the depth of the search. We might limit the number of branches allowed to some number, X, and once we are this deep we force the algorithm to choose the best path it has identified so far (the one that has the minimum total board sum in one of its terminal leaves). Then our algorithm is guaranteed to run in O(3^X) time, but it is not guaranteed to get the correct answer. However, we can always increase X and test empirically if the trade off between increased computation and better answers is worthwhile.
其他回答
我相信为了减少炸弹的数量，你只需要最大化伤害。 要做到这一点，需要检查具有最强力的区域。因此，您首先分析具有3x3核的场，并检查哪里的和更强。还有炸弹…一直这样做，直到场地变平。这个文件的答案是28
var oMatrix = [
[2,3,4,7,1],
[1,5,2,6,2],
[4,3,4,2,1],
[2,1,2,4,1],
[3,1,3,4,1],
[2,1,4,3,2],
[6,9,1,6,4]
]
var nBombs = 0;
do
{
var bSpacesLeftToBomb = false;
var nHigh = 0;
var nCellX = 0;
var nCellY = 0;
for(var y = 1 ; y<oMatrix.length-1;y++)
for(var x = 1 ; x<oMatrix[y].length-1;x++)
{
var nValue = 0;
for(var yy = y-1;yy<=y+1;yy++)
for(var xx = x-1;xx<=x+1;xx++)
nValue += oMatrix[yy][xx];
if(nValue>nHigh)
{
nHigh = nValue;
nCellX = x;
nCellY = y;
}
}
if(nHigh>0)
{
nBombs++;
for(var yy = nCellY-1;yy<=nCellY+1;yy++)
{
for(var xx = nCellX-1;xx<=nCellX+1;xx++)
{
if(oMatrix[yy][xx]<=0)
continue;
oMatrix[yy][xx] = --oMatrix[yy][xx];
}
}
bSpacesLeftToBomb = true;
}
}
while(bSpacesLeftToBomb);
alert(nBombs+'bombs');
使用分支和定界的数学整数线性规划
As it has already been mentioned, this problem can be solved using integer linear programming (which is NP-Hard). Mathematica already has ILP built in. "To solve an integer linear programming problem Mathematica first solves the equational constraints, reducing the problem to one containing inequality constraints only. Then it uses lattice reduction techniques to put the inequality system in a simpler form. Finally, it solves the simplified optimization problem using a branch-and-bound method." [see Constrained Optimization Tutorial in Mathematica.. ]
我写了下面的代码，利用ILP库的Mathematica。它的速度快得惊人。
solveMatrixBombProblem[problem_, r_, c_] :=
Module[{},
bombEffect[x_, y_, m_, n_] :=
Table[If[(i == x || i == x - 1 || i == x + 1) && (j == y ||
j == y - 1 || j == y + 1), 1, 0], {i, 1, m}, {j, 1, n}];
bombMatrix[m_, n_] :=
Transpose[
Table[Table[
Part[bombEffect[(i - Mod[i, n])/n + 1, Mod[i, n] + 1, m,
n], (j - Mod[j, n])/n + 1, Mod[j, n] + 1], {j, 0,
m*n - 1}], {i, 0, m*n - 1}]];
X := x /@ Range[c*r];
sol = Minimize[{Total[X],
And @@ Thread[bombMatrix[r, c].X >= problem] &&
And @@ Thread[X >= 0] && Total[X] <= 10^100 &&
Element[X, Integers]}, X];
Print["Minimum required bombs = ", sol[[1]]];
Print["A possible solution = ",
MatrixForm[
Table[x[c*i + j + 1] /. sol[[2]], {i, 0, r - 1}, {j, 0,
c - 1}]]];]
对于问题中提供的示例:
solveMatrixBombProblem[{2, 3, 4, 7, 1, 1, 5, 2, 6, 2, 4, 3, 4, 2, 1, 2, 1, 2, 4, 1, 3, 1, 3, 4, 1, 2, 1, 4, 3, 2, 6, 9, 1, 6, 4}, 7, 5]
输出
对于那些用贪婪算法读这篇文章的人
在下面这个10x10的问题上试试你的代码:
5 20 7 1 9 8 19 16 11 3
17 8 15 17 12 4 5 16 8 18
4 19 12 11 9 7 4 15 14 6
17 20 4 9 19 8 17 2 10 8
3 9 10 13 8 9 12 12 6 18
16 16 2 10 7 12 17 11 4 15
11 1 15 1 5 11 3 12 8 3
7 11 16 19 17 11 20 2 5 19
5 18 2 17 7 14 19 11 1 6
13 20 8 4 15 10 19 5 11 12
这里用逗号分隔:
5, 20, 7, 1, 9, 8, 19, 16, 11, 3, 17, 8, 15, 17, 12, 4, 5, 16, 8, 18, 4, 19, 12, 11, 9, 7, 4, 15, 14, 6, 17, 20, 4, 9, 19, 8, 17, 2, 10, 8, 3, 9, 10, 13, 8, 9, 12, 12, 6, 18, 16, 16, 2, 10, 7, 12, 17, 11, 4, 15, 11, 1, 15, 1, 5, 11, 3, 12, 8, 3, 7, 11, 16, 19, 17, 11, 20, 2, 5, 19, 5, 18, 2, 17, 7, 14, 19, 11, 1, 6, 13, 20, 8, 4, 15, 10, 19, 5, 11, 12
对于这个问题，我的解决方案包含208个炸弹。这里有一个可能的解决方案(我能够在大约12秒内解决这个问题)。
作为一种测试Mathematica产生结果的方法，看看你的贪婪算法是否能做得更好。
生成最慢但最简单且无错误的算法，并测试所有有效的可能性。这种情况非常简单(因为结果与炸弹放置的顺序无关)。
创建N次应用bomp的函数 为所有炸弹放置/炸弹计数可能性创建循环(当矩阵==0时停止) 记住最好的解决方案。 在循环的最后，你得到了最好的解决方案 不仅是炸弹的数量，还有它们的位置
代码可以是这样的:
void copy(int **A,int **B,int m,int n)
{
for (int i=0;i<m;i++)
for (int j=0;i<n;j++)
A[i][j]=B[i][j];
}
bool is_zero(int **M,int m,int n)
{
for (int i=0;i<m;i++)
for (int j=0;i<n;j++)
if (M[i][j]) return 0;
return 1;
}
void drop_bomb(int **M,int m,int n,int i,int j,int N)
{
int ii,jj;
ii=i-1; jj=j-1; if ((ii>=0)&&(ii<m)&&(jj>=0)&&(jj<n)&&(M[ii][jj])) { M[ii][jj]-=N; if (M[ii][jj]<0) M[ii][jj]=0; }
ii=i-1; jj=j ; if ((ii>=0)&&(ii<m)&&(jj>=0)&&(jj<n)&&(M[ii][jj])) { M[ii][jj]-=N; if (M[ii][jj]<0) M[ii][jj]=0; }
ii=i-1; jj=j+1; if ((ii>=0)&&(ii<m)&&(jj>=0)&&(jj<n)&&(M[ii][jj])) { M[ii][jj]-=N; if (M[ii][jj]<0) M[ii][jj]=0; }
ii=i ; jj=j-1; if ((ii>=0)&&(ii<m)&&(jj>=0)&&(jj<n)&&(M[ii][jj])) { M[ii][jj]-=N; if (M[ii][jj]<0) M[ii][jj]=0; }
ii=i ; jj=j ; if ((ii>=0)&&(ii<m)&&(jj>=0)&&(jj<n)&&(M[ii][jj])) { M[ii][jj]-=N; if (M[ii][jj]<0) M[ii][jj]=0; }
ii=i ; jj=j+1; if ((ii>=0)&&(ii<m)&&(jj>=0)&&(jj<n)&&(M[ii][jj])) { M[ii][jj]-=N; if (M[ii][jj]<0) M[ii][jj]=0; }
ii=i+1; jj=j-1; if ((ii>=0)&&(ii<m)&&(jj>=0)&&(jj<n)&&(M[ii][jj])) { M[ii][jj]-=N; if (M[ii][jj]<0) M[ii][jj]=0; }
ii=i+1; jj=j ; if ((ii>=0)&&(ii<m)&&(jj>=0)&&(jj<n)&&(M[ii][jj])) { M[ii][jj]-=N; if (M[ii][jj]<0) M[ii][jj]=0; }
ii=i+1; jj=j+1; if ((ii>=0)&&(ii<m)&&(jj>=0)&&(jj<n)&&(M[ii][jj])) { M[ii][jj]-=N; if (M[ii][jj]<0) M[ii][jj]=0; }
}
void solve_problem(int **M,int m,int n)
{
int i,j,k,max=0;
// you probably will need to allocate matrices P,TP,TM yourself instead of this:
int P[m][n],min; // solution: placement,min bomb count
int TM[m][n],TP[m][n],cnt; // temp
for (i=0;i<m;i++) // max count of bomb necessary to test
for (j=0;j<n;j++)
if (max<M[i][j]) max=M[i][j];
for (i=0;i<m;i++) // reset solution
for (j=0;j<n;j++)
P[i][j]=max;
min=m*n*max;
copy(TP,P,m,n); cnt=min;
for (;;) // generate all possibilities
{
copy(TM,M,m,n);
for (i=0;i<m;i++) // test solution
for (j=0;j<n;j++)
drop_bomb(TM,m,n,TP[i][j]);
if (is_zero(TM,m,n))// is solution
if (min>cnt) // is better solution -> store it
{
copy(P,TP,m,n);
min=cnt;
}
// go to next possibility
for (i=0,j=0;;)
{
TP[i][j]--;
if (TP[i][j]>=0) break;
TP[i][j]=max;
i++; if (i<m) break;
i=0; j++; if (j<n) break;
break;
}
if (is_zero(TP,m,n)) break;
}
//result is in P,min
}
这可以通过很多方式进行优化，……最简单的是用M矩阵重置解，但你需要改变最大值和TP[][]递减代码
这是部分答案，我试图找到一个下界和上界，可能是炸弹的数量。
在3x3和更小的板上，解决方案通常是编号最大的单元。
在大于4x4的板中，第一个明显的下界是角的和:
*2* 3 7 *1*
1 5 6 2
2 1 3 2
*6* 9 6 *4*
无论你如何安排炸弹，都不可能用少于2+1+6+4=13个炸弹来清除这个4x4板。
在其他回答中已经提到，将炸弹放置在第二个角落以消除角落并不比将炸弹放置在角落本身更糟糕，所以考虑到棋盘:
*2* 3 4 7 *1*
1 5 2 6 2
4 3 4 2 1
2 1 2 4 1
3 1 3 4 1
2 1 4 3 2
*6* 9 1 6 *4*
我们可以通过在第二个角上放置炸弹来将角归零，从而得到一个新的板:
0 1 1 6 0
0 3 0 5 1
2 1 1 1 0
2 1 2 4 1
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
0 3 0 2 0
到目前为止一切顺利。我们需要13枚炸弹才能清空角落。
现在观察下面标记的数字6、4、3和2:
0 1 1 *6* 0
0 3 0 5 1
2 1 1 1 0
*2* 1 2 *4* 1
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
0 *3* 0 2 0
我们无法使用一枚炸弹去轰炸任何两个细胞，所以最小炸弹数量增加了6+4+3+2，所以再加上我们用来清除角落的炸弹数量，我们得到这张地图所需的最小炸弹数量变成了28枚炸弹。用少于28个炸弹是不可能清除这张地图的，这是这张地图的下限。
可以用贪心算法建立上界。其他答案表明，贪婪算法产生的解决方案使用28个炸弹。因为我们之前已经证明了没有一个最优解可以拥有少于28个炸弹，所以28个炸弹确实是一个最优解。
当贪心和我上面提到的寻找最小界的方法不收敛时，我猜你必须回去检查所有的组合。
求下界的算法如下:
选一个数值最大的元素，命名为P。 将所有距离P和P本身两步远的单元格标记为不可拾取。 将P添加到最小值列表中。 重复步骤1，直到所有单元格都不可拾取。 对最小值列表求和得到下界。
这里似乎有一个非二部匹配子结构。考虑下面的例子:
0010000
1000100
0000001
1000000
0000001
1000100
0010000
这种情况下的最佳解决方案的大小为5，因为这是9-cycle的边的最小顶点覆盖的大小。
这个例子，特别地，表明了一些人发布的线性规划松弛法是不精确的，不管用，还有其他一些不好的东西。我很确定我可以减少“用尽可能少的边覆盖我的平面立方图的顶点”来解决你的问题，这让我怀疑任何贪婪/爬坡的解决方案是否有效。
在最坏的情况下，我找不到在多项式时间内解出来的方法。可能有一个非常聪明的二进制搜索和dp解决方案，但我没有看到。
编辑:我看到这个比赛(http://deadline24.pl)是语言无关的;他们给你一堆输入文件，你给他们输出。所以你不需要在最坏情况下多项式时间内运行的东西。特别是，您可以查看输入!
There are a bunch of small cases in the input. Then there's a 10x1000 case, a 100x100 case, and a 1000x1000 case. The three large cases are all very well-behaved. Horizontally adjacent entries typically have the same value. On a relatively beefy machine, I'm able to solve all of the cases by brute-forcing using CPLEX in just a couple of minutes. I got lucky on the 1000x1000; the LP relaxation happens to have an integral optimal solution. My solutions agree with the .ans files provided in the test data bundle.
我敢打赌你可以用比我更直接的方式使用输入的结构，如果你看了它;看起来你只需要砍掉第一行，或者两行，或者三行直到你什么都不剩。(看起来，在1000x1000中，所有的行都是不增加的?我猜这就是你的“B部分”的来源吧?)
