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
到目前为止，一些答案给出了指数时间，一些涉及动态规划。我怀疑这些是否有必要。
我的解是O(mnS)其中m和n是板子的维度，S是所有整数的和。这个想法相当野蛮:找到每次可以杀死最多的位置，并在0处终止。
对于给定的棋盘，它给出28步棋，并且在每次落子后打印出棋盘。
完整的，不言自明的代码:
import java.util.Arrays;
public class BombMinDrops {
private static final int[][] BOARD = {{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}};
private static final int ROWS = BOARD.length;
private static final int COLS = BOARD[0].length;
private static int remaining = 0;
private static int dropCount = 0;
static {
for (int i = 0; i < ROWS; i++) {
for (int j = 0; j < COLS; j++) {
remaining = remaining + BOARD[i][j];
}
}
}
private static class Point {
int x, y;
int kills;
Point(int x, int y, int kills) {
this.x = x;
this.y = y;
this.kills = kills;
}
@Override
public String toString() {
return dropCount + "th drop at [" + x + ", " + y + "] , killed " + kills;
}
}
private static int countPossibleKills(int x, int y) {
int count = 0;
for (int row = x - 1; row <= x + 1; row++) {
for (int col = y - 1; col <= y + 1; col++) {
try {
if (BOARD[row][col] > 0) count++;
} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException ex) {/*ignore*/}
}
}
return count;
}
private static void drop(Point here) {
for (int row = here.x - 1; row <= here.x + 1; row++) {
for (int col = here.y - 1; col <= here.y + 1; col++) {
try {
if (BOARD[row][col] > 0) BOARD[row][col]--;
} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException ex) {/*ignore*/}
}
}
dropCount++;
remaining = remaining - here.kills;
print(here);
}
public static void solve() {
while (remaining > 0) {
Point dropWithMaxKills = new Point(-1, -1, -1);
for (int i = 0; i < ROWS; i++) {
for (int j = 0; j < COLS; j++) {
int possibleKills = countPossibleKills(i, j);
if (possibleKills > dropWithMaxKills.kills) {
dropWithMaxKills = new Point(i, j, possibleKills);
}
}
}
drop(dropWithMaxKills);
}
System.out.println("Total dropped: " + dropCount);
}
private static void print(Point drop) {
System.out.println(drop.toString());
for (int[] row : BOARD) {
System.out.println(Arrays.toString(row));
}
System.out.println();
}
public static void main(String[] args) {
solve();
}
}
其他回答
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。
评价函数，总和:
int f (int ** matrix, int width, int height, int x, int y)
{
int m[3][3] = { 0 };
m[1][1] = matrix[x][y];
if (x > 0) m[0][1] = matrix[x-1][y];
if (x < width-1) m[2][1] = matrix[x+1][y];
if (y > 0)
{
m[1][0] = matrix[x][y-1];
if (x > 0) m[0][0] = matrix[x-1][y-1];
if (x < width-1) m[2][0] = matrix[x+1][y-1];
}
if (y < height-1)
{
m[1][2] = matrix[x][y+1];
if (x > 0) m[0][2] = matrix[x-1][y+1];
if (x < width-1) m[2][2] = matrix[x+1][y+1];
}
return m[0][0]+m[0][1]+m[0][2]+m[1][0]+m[1][1]+m[1][2]+m[2][0]+m[2][1]+m[2][2];
}
目标函数:
Point bestState (int ** matrix, int width, int height)
{
Point p = new Point(0,0);
int bestScore = 0;
int b = 0;
for (int i=0; i<width; i++)
for (int j=0; j<height; j++)
{
b = f(matrix,width,height,i,j);
if (b > bestScore)
{
bestScore = best;
p = new Point(i,j);
}
}
retunr p;
}
破坏功能:
void destroy (int ** matrix, int width, int height, Point p)
{
int x = p.x;
int y = p.y;
if(matrix[x][y] > 0) matrix[x][y]--;
if (x > 0) if(matrix[x-1][y] > 0) matrix[x-1][y]--;
if (x < width-1) if(matrix[x+1][y] > 0) matrix[x+1][y]--;
if (y > 0)
{
if(matrix[x][y-1] > 0) matrix[x][y-1]--;
if (x > 0) if(matrix[x-1][y-1] > 0) matrix[x-1][y-1]--;
if (x < width-1) if(matrix[x+1][y-1] > 0) matrix[x+1][y-1]--;
}
if (y < height-1)
{
if(matrix[x][y] > 0) matrix[x][y+1]--;
if (x > 0) if(matrix[x-1][y+1] > 0) matrix[x-1][y+1]--;
if (x < width-1) if(matrix[x+1][y+1] > 0) matrix[x+1][y+1]--;
}
}
目标函数:
bool isGoal (int ** matrix, int width, int height)
{
for (int i=0; i<width; i++)
for (int j=0; j<height; j++)
if (matrix[i][j] > 0)
return false;
return true;
}
线性最大化函数:
void solve (int ** matrix, int width, int height)
{
while (!isGoal(matrix,width,height))
{
destroy(matrix,width,height, bestState(matrix,width,height));
}
}
这不是最优的，但可以通过找到更好的评价函数来优化。
. .但是考虑到这个问题，我在想一个主要的问题是在0中间的某个点上得到废弃的数字，所以我要采取另一种方法。这是支配最小值为零，然后试图转义零，这导致一般的最小现有值(s)或这样
这将是一个贪婪的方法:
计算一个阶为n X m的“score”矩阵，其中score[i][j]是如果位置(i,j)被炸毁，则矩阵中各点的总扣除额。(一个点的最高分数是9分，最低分数是0分) 逐行移动，找到并选择第一个得分最高的位置(例如(i,j))。 炸弹(i, j)。增加炸弹数量。 如果原矩阵的所有元素都不为零，则转到1。
但我怀疑这是否是最佳解决方案。
编辑:
我上面提到的贪心方法，虽然有效，但很可能不能给我们最优的解决方案。所以我想应该添加一些DP的元素。
我想我们可以同意，在任何时候，具有最高“分数”(分数[I][j] =总扣分，如果(I,j)被炸)的位置之一必须被瞄准。从这个假设开始，下面是新的方法:
NumOfBombs(M):(返回所需的最小炸弹数量)
给定一个矩阵M (n X M)，如果M中的所有元素都为0，则返回0。 计算“分数”矩阵M。 设k个不同的位置P1 P2…Pk (1 <= k <= n*m)，为m中得分最高的位置。 return (1 + min(NumOfBombs(M1)， NumOfBombs(M2)，…， NumOfBombs(Mk)) M1, M2,……，Mk是我们轰炸位置P1, P2，…， Pk。
此外，如果我们想在此基础上破坏位置的顺序，我们必须跟踪“min”的结果。
这是对第一个问题的回答。我没有注意到他改变了参数。
创建一个所有目标的列表。根据掉落物品(掉落物品本身和所有邻居)影响的正数值的数量为目标分配一个值。最高值是9。
根据受影响目标的数量(降序)对目标进行排序，对每个受影响目标的和进行二次降序排序。
向排名最高的目标投掷炸弹，然后重新计算目标，直到所有目标值都为零。
同意，这并不总是最优的。例如,
100011
011100
011100
011100
000000
100011
这种方法需要5枚炸弹才能清除。最理想的情况是，你可以在4分钟内完成。不过,很 非常接近，没有回头路。在大多数情况下，这将是最优的，或者非常接近。
使用原来的问题数，该方法解决28个炸弹。
添加代码来演示这种方法(使用带有按钮的表单):
private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
int[,] matrix = new int[10, 10] {{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}};
int value = 0;
List<Target> Targets = GetTargets(matrix);
while (Targets.Count > 0)
{
BombTarget(ref matrix, Targets[0]);
value += 1;
Targets = GetTargets(matrix);
}
Console.WriteLine( value);
MessageBox.Show("done: " + value);
}
private static void BombTarget(ref int[,] matrix, Target t)
{
for (int a = t.x - 1; a <= t.x + 1; a++)
{
for (int b = t.y - 1; b <= t.y + 1; b++)
{
if (a >= 0 && a <= matrix.GetUpperBound(0))
{
if (b >= 0 && b <= matrix.GetUpperBound(1))
{
if (matrix[a, b] > 0)
{
matrix[a, b] -= 1;
}
}
}
}
}
Console.WriteLine("Dropped bomb on " + t.x + "," + t.y);
}
private static List<Target> GetTargets(int[,] matrix)
{
List<Target> Targets = new List<Target>();
int width = matrix.GetUpperBound(0);
int height = matrix.GetUpperBound(1);
for (int x = 0; x <= width; x++)
{
for (int y = 0; y <= height; y++)
{
Target t = new Target();
t.x = x;
t.y = y;
SetTargetValue(matrix, ref t);
if (t.value > 0) Targets.Add(t);
}
}
Targets = Targets.OrderByDescending(x => x.value).ThenByDescending( x => x.sum).ToList();
return Targets;
}
private static void SetTargetValue(int[,] matrix, ref Target t)
{
for (int a = t.x - 1; a <= t.x + 1; a++)
{
for (int b = t.y - 1; b <= t.y + 1; b++)
{
if (a >= 0 && a <= matrix.GetUpperBound(0))
{
if (b >= 0 && b <= matrix.GetUpperBound(1))
{
if (matrix[ a, b] > 0)
{
t.value += 1;
t.sum += matrix[a,b];
}
}
}
}
}
}
你需要的一个类:
class Target
{
public int value;
public int sum;
public int x;
public int y;
}
由于时间不够，我不得不停留在部分解决方案上，但希望即使是这个部分解决方案也能提供解决这个问题的潜在方法的一些见解。
当面对一个困难的问题时，我喜欢想出一些简单的问题来培养对问题空间的直觉。这里，我采取的第一步是将这个二维问题简化为一维问题。考虑一行字:
0 4 2 1 3 0 1
不管怎样，你知道你需要在4点附近炸4次才能把它降到0。因为左边是一个较低的数字，所以轰炸0或4比轰炸2没有任何好处。事实上，我相信(但缺乏严格的证明)轰炸2，直到4点降到0，至少和任何其他策略一样好，让4点降到0。从左到右，我们可以采用如下策略:
index = 1
while index < line_length
while number_at_index(index - 1) > 0
bomb(index)
end
index++
end
# take care of the end of the line
while number_at_index(index - 1) > 0
bomb(index - 1)
end
几个轰炸命令示例:
0 4[2]1 3 0 1
0 3[1]0 3 0 1
0 2[0]0 3 0 1
0 1[0]0 3 0 1
0 0 0 0 3[0]1
0 0 0 0 2[0]0
0 0 0 0 1[0]0
0 0 0 0 0 0 0
4[2]1 3 2 1 5
3[1]0 3 2 1 5
2[0]0 3 2 1 5
1[0]0 3 2 1 5
0 0 0 3[2]1 5
0 0 0 2[1]0 5
0 0 0 1[0]0 5
0 0 0 0 0 0[5]
0 0 0 0 0 0[4]
0 0 0 0 0 0[3]
0 0 0 0 0 0[2]
0 0 0 0 0 0[1]
0 0 0 0 0 0 0
从一个需要以某种方式下降的数字开始是一个很有吸引力的想法，因为它突然变得可以找到一个解，就像一些人声称的那样，至少和所有其他解一样好。
The next step up in complexity where this search of at least as good is still feasible is on the edge of the board. It is clear to me that there is never any strict benefit to bomb the outer edge; you're better off bombing the spot one in and getting three other spaces for free. Given this, we can say that bombing the ring one inside of the edge is at least as good as bombing the edge. Moreover, we can combine this with the intuition that bombing the right one inside of the edge is actually the only way to get edge spaces down to 0. Even more, it is trivially simple to figure out the optimal strategy (in that it is at least as good as any other strategy) to get corner numbers down to 0. We put this all together and can get much closer to a solution in the 2-D space.
根据对角子的观察，我们可以肯定地说，我们知道从任何起始棋盘到所有角子都是0的棋盘的最佳策略。这是一个这样的板的例子(我借用了上面两个线性板的数字)。我用不同的方式标记了一些空间，我会解释为什么。
0 4 2 1 3 0 1 0
4 x x x x x x 4
2 y y y y y y 2
1 y y y y y y 1
3 y y y y y y 3
2 y y y y y y 2
1 y y y y y y 1
5 y y y y y y 5
0 4 2 1 3 0 1 0
你会注意到，最上面一行和我们之前看到的线性例子非常相似。回想一下我们之前的观察，将第一行全部降为0的最佳方法是破坏第二行(x行)。轰炸任何y行都无法清除顶部行，轰炸顶部行也没有比轰炸x行相应空间更多的好处。
我们可以从上面应用线性策略(轰炸x行上的相应空间)，只关注第一行，不关注其他任何内容。大概是这样的:
0 4 2 1 3 0 1 0
4 x[x]x x x x 4
2 y y y y y y 2
1 y y y y y y 1
3 y y y y y y 3
2 y y y y y y 2
1 y y y y y y 1
5 y y y y y y 5
0 4 2 1 3 0 1 0
0 3 1 0 3 0 1 0
4 x[x]x x x x 4
2 y y y y y y 2
1 y y y y y y 1
3 y y y y y y 3
2 y y y y y y 2
1 y y y y y y 1
5 y y y y y y 5
0 4 2 1 3 0 1 0
0 2 0 0 3 0 1 0
4 x[x]x x x x 4
2 y y y y y y 2
1 y y y y y y 1
3 y y y y y y 3
2 y y y y y y 2
1 y y y y y y 1
5 y y y y y y 5
0 4 2 1 3 0 1 0
0 1 0 0 3 0 1 0
4 x[x]x x x x 4
2 y y y y y y 2
1 y y y y y y 1
3 y y y y y y 3
2 y y y y y y 2
1 y y y y y y 1
5 y y y y y y 5
0 4 2 1 3 0 1 0
0 0 0 0 3 0 1 0
4 x x x x x x 4
2 y y y y y y 2
1 y y y y y y 1
3 y y y y y y 3
2 y y y y y y 2
1 y y y y y y 1
5 y y y y y y 5
0 4 2 1 3 0 1 0
The flaw in this approach becomes very obvious in the final two bombings. It is clear, given that the only bomb sites that reduce the 4 figure in the first column in the second row are the first x and the y. The final two bombings are clearly inferior to just bombing the first x, which would have done the exact same (with regard to the first spot in the top row, which we have no other way of clearing). Since we have demonstrated that our current strategy is suboptimal, a modification in strategy is clearly needed.
在这一点上，我可以退一步，只关注一个角落。让我们考虑一下这个问题:
0 4 2 1
4 x y a
2 z . .
1 b . .
It is clear the only way to get the spaces with 4 down to zero are to bomb some combination of x, y, and z. With some acrobatics in my mind, I'm fairly sure the optimal solution is to bomb x three times and then a then b. Now it's a matter of figuring out how I reached that solution and if it reveals any intuition we can use to even solve this local problem. I notice that there's no bombing of y and z spaces. Attempting to find a corner where bombing those spaces makes sense yields a corner that looks like this:
0 4 2 5 0
4 x y a .
2 z . . .
5 b . . .
0 . . . .
对于这个问题，我很清楚，最优解决方案是轰炸y 5次，z 5次。让我们更进一步。
0 4 2 5 6 0 0
4 x y a . . .
2 z . . . . .
5 b . . . . .
6 . . . . . .
0 . . . . . .
0 . . . . . .
这里，最优解决方案是轰炸a和b 6次，然后x 4次。
现在它变成了一个如何将这些直觉转化为我们可以建立的原则的游戏。
希望能继续!
