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
你可以把这个问题表示成整数规划问题。(这只是解决这个问题的一种可能的方法)
有分:
a b c d
e f g h
i j k l
m n o p
我们可以写出16个方程其中以点f为例
f <= ai + bi + ci + ei + fi + gi + ii + ji + ki
最小化所有索引的总和和整数解。
解当然是这些指标的和。
这可以通过将所有xi设置为边界0来进一步简化，因此在本例中最终得到4+1方程。
问题是没有解决这类问题的简单算法。我不是这方面的专家，但解决这个问题作为线性规划是NP困难。
其他回答
这是我的解决方案。由于时间有限，我不会用代码写出来，但我相信这应该每次都能产生最优的移动数量——尽管我不确定它在寻找要轰炸的点时是否有效。
首先，正如@Luka Rahne在一条评论中所说的，你轰炸的顺序并不重要，重要的是组合。
其次，正如许多人所说的那样，从角的对角线上轰炸1是最优的，因为它接触的点比角多。
这就生成了我的算法版本的基础: 我们可以在第一个或最后一个炸掉拐角的1-off，这没有关系(理论上) 我们首先破坏这些，因为它可以让后面的决定更容易(在实践中) 我们轰炸影响最大的点，同时轰炸那些角落。
让我们将阻力点定义为棋盘上具有最多不可炸点+周围0数量最多的点
非爆炸点可以定义为在我们正在研究的黑板的当前范围内不存在的点。
我还将定义4个处理范围的边界: 上=0，左=0，下=k，右=j。 (起始值)
最后，我将最优炸弹定义为投掷在与阻力点相邻的点上的炸弹，并接触(1)最高值的阻力点和(2)可能的最大数量的点。
关于方法，很明显我们正在从外到内的工作。我们将能够同时与4架“轰炸机”一起工作。
第一个阻力点显然是我们的弯道。“边界外”的点是不可轰炸的(每个角落的范围外都有5个点)。所以我们先在对角线上炸一个角。
算法:
找到4个最佳炸弹点。 如果一个炸弹点正在轰炸一个接触2个边界(即一个角)的阻力点，则一直轰炸到该点为0。否则，逐个轰炸，直到其中一个触及最佳轰炸点的阻力点为0。 对于每个边界: 如果(sum(bound)==0)前进界
重复以上步骤，直到上=下，左=右
稍后我将尝试编写实际代码
如果你想要绝对最优解来清理棋盘，你将不得不使用经典的回溯，但如果矩阵非常大，它将需要很长时间才能找到最佳解，如果你想要一个“可能的”最优解，你可以使用贪婪算法，如果你需要帮助写算法，我可以帮助你
现在想想，这是最好的办法。在那里制作另一个矩阵，存储通过投掷炸弹而移除的点，然后选择点数最多的单元格，并在那里投掷炸弹更新点数矩阵，然后继续。例子:
2 3 5 -> (2+(1*3)) (3+(1*5)) (5+(1*3))
1 3 2 -> (1+(1*4)) (3+(1*7)) (2+(1*4))
1 0 2 -> (1+(1*2)) (0+(1*5)) (2+(1*2))
对于每个相邻的高于0的单元格，单元格值+1
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。
Well, suppose we number the board positions 1, 2, ..., n x m. Any sequence of bomb drops can be represented by a sequence of numbers in this set, where numbers can repeat. However, the effect on the board is the same regardless of what order you drop the bombs in, so really any choice of bomb drops can be represented as a list of n x m numbers, where the first number represents the number of bombs dropped on position 1, the second number represents the number of bombs dropped on position 2, etc. Let's call this list of n x m numbers the "key".
你可以试着先计算1个炸弹投下的所有板子状态，然后用这些来计算2个炸弹投下的所有板子状态，等等，直到你得到所有的0。但是在每一步中，您都将使用上面定义的键缓存状态，因此您可以在计算下一步时使用这些结果(一种“动态规划”方法)。
但是根据n、m的大小和网格中的数字，这种方法的内存需求可能会过多。一旦你计算了N + 1的所有结果，你就可以抛弃N个炸弹投掷的所有结果，所以这里有一些节省。当然，您不能以花费更长的时间为代价缓存任何东西——动态编程方法以内存换取速度。
我想不出一个计算实际数字的方法除非用我最好的启发式方法计算轰炸行动并希望得到一个合理的结果。
So my method is to compute a bombing efficiency metric for each cell, bomb the cell with the highest value, .... iterate the process until I've flattened everything. Some have advocated using simple potential damage (i.e. score from 0 to 9) as a metric, but that falls short by pounding high value cells and not making use of damage overlap. I'd calculate cell value - sum of all neighbouring cells, reset any positive to 0 and use the absolute value of anything negative. Intuitively this metric should make a selection that help maximise damage overlap on cells with high counts instead of pounding those directly.
下面的代码在28个炸弹中达到了测试场的完全破坏(注意，使用潜在伤害作为度量，结果是31!)
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
namespace StackOverflow
{
internal class Program
{
// store the battle field as flat array + dimensions
private static int _width = 5;
private static int _length = 7;
private static int[] _field = new int[] {
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
};
// this will store the devastation metric
private static int[] _metric;
// do the work
private static void Main(string[] args)
{
int count = 0;
while (_field.Sum() > 0)
{
Console.Out.WriteLine("Round {0}:", ++count);
GetBlastPotential();
int cell_to_bomb = FindBestBombingSite();
PrintField(cell_to_bomb);
Bomb(cell_to_bomb);
}
Console.Out.WriteLine("Done in {0} rounds", count);
}
// convert 2D position to 1D index
private static int Get1DCoord(int x, int y)
{
if ((x < 0) || (y < 0) || (x >= _width) || (y >= _length)) return -1;
else
{
return (y * _width) + x;
}
}
// Convert 1D index to 2D position
private static void Get2DCoord(int n, out int x, out int y)
{
if ((n < 0) || (n >= _field.Length))
{
x = -1;
y = -1;
}
else
{
x = n % _width;
y = n / _width;
}
}
// Compute a list of 1D indices for a cell neighbours
private static List<int> GetNeighbours(int cell)
{
List<int> neighbours = new List<int>();
int x, y;
Get2DCoord(cell, out x, out y);
if ((x >= 0) && (y >= 0))
{
List<int> tmp = new List<int>();
tmp.Add(Get1DCoord(x - 1, y - 1));
tmp.Add(Get1DCoord(x - 1, y));
tmp.Add(Get1DCoord(x - 1, y + 1));
tmp.Add(Get1DCoord(x, y - 1));
tmp.Add(Get1DCoord(x, y + 1));
tmp.Add(Get1DCoord(x + 1, y - 1));
tmp.Add(Get1DCoord(x + 1, y));
tmp.Add(Get1DCoord(x + 1, y + 1));
// eliminate invalid coords - i.e. stuff past the edges
foreach (int c in tmp) if (c >= 0) neighbours.Add(c);
}
return neighbours;
}
// Compute the devastation metric for each cell
// Represent the Value of the cell minus the sum of all its neighbours
private static void GetBlastPotential()
{
_metric = new int[_field.Length];
for (int i = 0; i < _field.Length; i++)
{
_metric[i] = _field[i];
List<int> neighbours = GetNeighbours(i);
if (neighbours != null)
{
foreach (int j in neighbours) _metric[i] -= _field[j];
}
}
for (int i = 0; i < _metric.Length; i++)
{
_metric[i] = (_metric[i] < 0) ? Math.Abs(_metric[i]) : 0;
}
}
//// Compute the simple expected damage a bomb would score
//private static void GetBlastPotential()
//{
// _metric = new int[_field.Length];
// for (int i = 0; i < _field.Length; i++)
// {
// _metric[i] = (_field[i] > 0) ? 1 : 0;
// List<int> neighbours = GetNeighbours(i);
// if (neighbours != null)
// {
// foreach (int j in neighbours) _metric[i] += (_field[j] > 0) ? 1 : 0;
// }
// }
//}
// Update the battle field upon dropping a bomb
private static void Bomb(int cell)
{
List<int> neighbours = GetNeighbours(cell);
foreach (int i in neighbours)
{
if (_field[i] > 0) _field[i]--;
}
}
// Find the best bombing site - just return index of local maxima
private static int FindBestBombingSite()
{
int max_idx = 0;
int max_val = int.MinValue;
for (int i = 0; i < _metric.Length; i++)
{
if (_metric[i] > max_val)
{
max_val = _metric[i];
max_idx = i;
}
}
return max_idx;
}
// Display the battle field on the console
private static void PrintField(int cell)
{
for (int x = 0; x < _width; x++)
{
for (int y = 0; y < _length; y++)
{
int c = Get1DCoord(x, y);
if (c == cell)
Console.Out.Write(string.Format("[{0}]", _field[c]).PadLeft(4));
else
Console.Out.Write(string.Format(" {0} ", _field[c]).PadLeft(4));
}
Console.Out.Write(" || ");
for (int y = 0; y < _length; y++)
{
int c = Get1DCoord(x, y);
if (c == cell)
Console.Out.Write(string.Format("[{0}]", _metric[c]).PadLeft(4));
else
Console.Out.Write(string.Format(" {0} ", _metric[c]).PadLeft(4));
}
Console.Out.WriteLine();
}
Console.Out.WriteLine();
}
}
}
产生的轰炸模式输出如下(左边是字段值，右边是度量值)
Round 1:
2 1 4 2 3 2 6 || 7 16 8 10 4 18 6
3 5 3 1 1 1 9 || 11 18 18 21 17 28 5
4 [2] 4 2 3 4 1 || 19 [32] 21 20 17 24 22
7 6 2 4 4 3 6 || 8 17 20 14 16 22 8
1 2 1 1 1 2 4 || 14 15 14 11 13 16 7
Round 2:
2 1 4 2 3 2 6 || 5 13 6 9 4 18 6
2 4 2 1 1 [1] 9 || 10 15 17 19 17 [28] 5
3 2 3 2 3 4 1 || 16 24 18 17 17 24 22
6 5 1 4 4 3 6 || 7 14 19 12 16 22 8
1 2 1 1 1 2 4 || 12 12 12 10 13 16 7
Round 3:
2 1 4 2 2 1 5 || 5 13 6 7 3 15 5
2 4 2 1 0 1 8 || 10 15 17 16 14 20 2
3 [2] 3 2 2 3 0 || 16 [24] 18 15 16 21 21
6 5 1 4 4 3 6 || 7 14 19 11 14 19 6
1 2 1 1 1 2 4 || 12 12 12 10 13 16 7
Round 4:
2 1 4 2 2 1 5 || 3 10 4 6 3 15 5
1 3 1 1 0 1 8 || 9 12 16 14 14 20 2
2 2 2 2 2 [3] 0 || 13 16 15 12 16 [21] 21
5 4 0 4 4 3 6 || 6 11 18 9 14 19 6
1 2 1 1 1 2 4 || 10 9 10 9 13 16 7
Round 5:
2 1 4 2 2 1 5 || 3 10 4 6 2 13 3
1 3 1 1 0 [0] 7 || 9 12 16 13 12 [19] 2
2 2 2 2 1 3 0 || 13 16 15 10 14 15 17
5 4 0 4 3 2 5 || 6 11 18 7 13 17 6
1 2 1 1 1 2 4 || 10 9 10 8 11 13 5
Round 6:
2 1 4 2 1 0 4 || 3 10 4 5 2 11 2
1 3 1 1 0 0 6 || 9 12 16 11 8 13 0
2 2 2 2 0 2 0 || 13 16 15 9 14 14 15
5 4 [0] 4 3 2 5 || 6 11 [18] 6 11 15 5
1 2 1 1 1 2 4 || 10 9 10 8 11 13 5
Round 7:
2 1 4 2 1 0 4 || 3 10 4 5 2 11 2
1 3 1 1 0 0 6 || 8 10 13 9 7 13 0
2 [1] 1 1 0 2 0 || 11 [15] 12 8 12 14 15
5 3 0 3 3 2 5 || 3 8 10 3 8 15 5
1 1 0 0 1 2 4 || 8 8 7 7 9 13 5
Round 8:
2 1 4 2 1 0 4 || 1 7 2 4 2 11 2
0 2 0 1 0 0 6 || 7 7 12 7 7 13 0
1 1 0 1 0 2 0 || 8 8 10 6 12 14 15
4 2 0 3 3 [2] 5 || 2 6 8 2 8 [15] 5
1 1 0 0 1 2 4 || 6 6 6 7 9 13 5
Round 9:
2 1 4 2 1 0 4 || 1 7 2 4 2 11 2
0 2 0 1 0 0 6 || 7 7 12 7 6 12 0
1 1 0 1 0 [1] 0 || 8 8 10 5 10 [13] 13
4 2 0 3 2 2 4 || 2 6 8 0 6 9 3
1 1 0 0 0 1 3 || 6 6 6 5 8 10 4
Round 10:
2 1 4 2 1 0 4 || 1 7 2 4 2 10 1
0 2 [0] 1 0 0 5 || 7 7 [12] 7 6 11 0
1 1 0 1 0 1 0 || 8 8 10 4 8 9 10
4 2 0 3 1 1 3 || 2 6 8 0 6 8 3
1 1 0 0 0 1 3 || 6 6 6 4 6 7 2
Round 11:
2 0 3 1 1 0 4 || 0 6 0 3 0 10 1
0 1 0 0 0 [0] 5 || 4 5 5 5 3 [11] 0
1 0 0 0 0 1 0 || 6 8 6 4 6 9 10
4 2 0 3 1 1 3 || 1 5 6 0 5 8 3
1 1 0 0 0 1 3 || 6 6 6 4 6 7 2
Round 12:
2 0 3 1 0 0 3 || 0 6 0 2 1 7 1
0 1 0 0 0 0 4 || 4 5 5 4 1 7 0
1 0 0 0 0 [0] 0 || 6 8 6 4 5 [9] 8
4 2 0 3 1 1 3 || 1 5 6 0 4 7 2
1 1 0 0 0 1 3 || 6 6 6 4 6 7 2
Round 13:
2 0 3 1 0 0 3 || 0 6 0 2 1 6 0
0 1 0 0 0 0 3 || 4 5 5 4 1 6 0
1 [0] 0 0 0 0 0 || 6 [8] 6 3 3 5 5
4 2 0 3 0 0 2 || 1 5 6 0 4 6 2
1 1 0 0 0 1 3 || 6 6 6 3 4 4 0
Round 14:
2 0 3 1 0 [0] 3 || 0 5 0 2 1 [6] 0
0 0 0 0 0 0 3 || 2 5 4 4 1 6 0
0 0 0 0 0 0 0 || 4 4 4 3 3 5 5
3 1 0 3 0 0 2 || 0 4 5 0 4 6 2
1 1 0 0 0 1 3 || 4 4 5 3 4 4 0
Round 15:
2 0 3 1 0 0 2 || 0 5 0 2 1 4 0
0 0 0 0 0 0 2 || 2 5 4 4 1 4 0
0 0 0 0 0 0 0 || 4 4 4 3 3 4 4
3 1 0 3 0 [0] 2 || 0 4 5 0 4 [6] 2
1 1 0 0 0 1 3 || 4 4 5 3 4 4 0
Round 16:
2 [0] 3 1 0 0 2 || 0 [5] 0 2 1 4 0
0 0 0 0 0 0 2 || 2 5 4 4 1 4 0
0 0 0 0 0 0 0 || 4 4 4 3 3 3 3
3 1 0 3 0 0 1 || 0 4 5 0 3 3 1
1 1 0 0 0 0 2 || 4 4 5 3 3 3 0
Round 17:
1 0 2 1 0 0 2 || 0 3 0 1 1 4 0
0 0 0 0 0 0 2 || 1 3 3 3 1 4 0
0 0 0 0 0 0 0 || 4 4 4 3 3 3 3
3 1 [0] 3 0 0 1 || 0 4 [5] 0 3 3 1
1 1 0 0 0 0 2 || 4 4 5 3 3 3 0
Round 18:
1 0 2 1 0 0 2 || 0 3 0 1 1 4 0
0 0 0 0 0 0 2 || 1 3 3 3 1 4 0
0 0 0 0 0 0 0 || 3 3 2 2 2 3 3
3 [0] 0 2 0 0 1 || 0 [4] 2 0 2 3 1
1 0 0 0 0 0 2 || 2 4 2 2 2 3 0
Round 19:
1 0 2 1 0 [0] 2 || 0 3 0 1 1 [4] 0
0 0 0 0 0 0 2 || 1 3 3 3 1 4 0
0 0 0 0 0 0 0 || 2 2 2 2 2 3 3
2 0 0 2 0 0 1 || 0 2 2 0 2 3 1
0 0 0 0 0 0 2 || 2 2 2 2 2 3 0
Round 20:
1 [0] 2 1 0 0 1 || 0 [3] 0 1 1 2 0
0 0 0 0 0 0 1 || 1 3 3 3 1 2 0
0 0 0 0 0 0 0 || 2 2 2 2 2 2 2
2 0 0 2 0 0 1 || 0 2 2 0 2 3 1
0 0 0 0 0 0 2 || 2 2 2 2 2 3 0
Round 21:
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0 0 0 0 0 0 1 || 0 1 2 2 1 2 0
0 0 0 0 0 0 0 || 2 2 2 2 2 2 2
2 0 0 2 0 [0] 1 || 0 2 2 0 2 [3] 1
0 0 0 0 0 0 2 || 2 2 2 2 2 3 0
Round 22:
0 0 1 1 0 0 1 || 0 1 0 0 1 2 0
0 0 0 0 0 0 1 || 0 1 2 2 1 2 0
[0] 0 0 0 0 0 0 || [2] 2 2 2 2 1 1
2 0 0 2 0 0 0 || 0 2 2 0 2 1 1
0 0 0 0 0 0 1 || 2 2 2 2 2 1 0
Round 23:
0 0 1 1 0 0 1 || 0 1 0 0 1 2 0
0 0 [0] 0 0 0 1 || 0 1 [2] 2 1 2 0
0 0 0 0 0 0 0 || 1 1 2 2 2 1 1
1 0 0 2 0 0 0 || 0 1 2 0 2 1 1
0 0 0 0 0 0 1 || 1 1 2 2 2 1 0
Round 24:
0 0 0 0 0 0 1 || 0 0 0 0 0 2 0
0 0 0 0 0 0 1 || 0 0 0 0 0 2 0
0 0 [0] 0 0 0 0 || 1 1 [2] 2 2 1 1
1 0 0 2 0 0 0 || 0 1 2 0 2 1 1
0 0 0 0 0 0 1 || 1 1 2 2 2 1 0
Round 25:
0 0 0 0 0 [0] 1 || 0 0 0 0 0 [2] 0
0 0 0 0 0 0 1 || 0 0 0 0 0 2 0
0 0 0 0 0 0 0 || 1 1 1 1 1 1 1
1 0 0 1 0 0 0 || 0 1 1 0 1 1 1
0 0 0 0 0 0 1 || 1 1 1 1 1 1 0
Round 26:
0 0 0 0 0 0 0 || 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 || 0 0 0 0 0 0 0
[0] 0 0 0 0 0 0 || [1] 1 1 1 1 0 0
1 0 0 1 0 0 0 || 0 1 1 0 1 1 1
0 0 0 0 0 0 1 || 1 1 1 1 1 1 0
Round 27:
0 0 0 0 0 0 0 || 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 || 0 0 0 0 0 0 0
0 0 [0] 0 0 0 0 || 0 0 [1] 1 1 0 0
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Round 28:
0 0 0 0 0 0 0 || 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 || 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 || 0 0 0 0 0 0 0
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0 0 0 0 0 0 1 || 0 0 0 0 0 1 0
Done in 28 rounds
