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。
其他回答
Pólya说:“如果你不能解决一个问题，那么有一个更容易解决的问题:找到它。”
显然更简单的问题是一维问题(当网格是单行时)。让我们从最简单的算法开始——贪婪地轰炸最大的目标。什么时候会出问题?
给定11 11，贪婪算法对先炸毁哪个单元格无关。当然，中心单元格更好——它一次将所有三个单元格归零。这就提出了一种新的算法a，“炸弹最小化剩余的总和”。这个算法什么时候会出错?
给定1 1 2 11 1，算法A在轰炸第2，第3或第4单元格之间是无所谓的。但是轰炸第二个单元格，留下0 0 11 11比轰炸第三个单元格，留下10 10 10 10 1好。如何解决这个问题?轰炸第三个单元格的问题是，左边的功和右边的功必须分开做。
“炸弹使剩余的总和最小化，但使左边(我们轰炸的地方)的最小值和右边的最小值最大化”如何?叫这个算法b，这个算法什么时候出错?
编辑:在阅读了评论之后，我同意一个更有趣的问题将是改变一维问题，使其两端连接起来。很乐意看到这方面的进展。
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。
永远不要轰炸边界(除非正方形没有边界以外的邻居) 零角落。 到零角，将对角线上一个正方形的角的值降低(唯一的非边界邻居) 这会产生新的角落。见第2节
编辑:没有注意到Kostek提出了几乎相同的方法，所以现在我提出了更强烈的主张: 如果要清除的角总是选择在最外层，那么它是最优的。
在OP的例子中:在除5之外的任何地方掉落2(1+1或2)并不会导致掉落5所能击中的任何方块。所以我们必须在5上加上2(在左下角加上6…)
在这之后，只有一种方法可以清除(在左上角)角落里原本是1(现在是0)的东西，那就是在B3上删除0(类似excel的符号)。 等等。
只有在清除了整个A和E列以及1和7行之后，才开始更深一层的清理。
考虑只清除那些故意清除的角落，清除0值的角落不需要花费任何成本，并且简化了思考。
因为所有以这种方式投掷的炸弹都必须被投掷，并且这将导致清除战场，这是最佳解决方案。
睡了一觉后，我意识到这不是真的。 考虑
ABCDE
1 01000
2 10000
3 00000
4 00000
我的方法是在B3和C2上投放炸弹，而在B2上投放炸弹就足够了
这是一个广度搜索，通过这个“迷宫”的位置寻找最短路径(一系列轰炸)。不，我不能证明没有更快的算法，抱歉。
#!/usr/bin/env python
M = ((1,2,3,4),
(2,3,4,5),
(5,2,7,4),
(2,3,5,8))
def eachPossibleMove(m):
for y in range(1, len(m)-1):
for x in range(1, len(m[0])-1):
if (0 == m[y-1][x-1] == m[y-1][x] == m[y-1][x+1] ==
m[y][x-1] == m[y][x] == m[y][x+1] ==
m[y+1][x-1] == m[y+1][x] == m[y+1][x+1]):
continue
yield x, y
def bomb(m, (mx, my)):
return tuple(tuple(max(0, m[y][x]-1)
if mx-1 <= x <= mx+1 and my-1 <= y <= my+1
else m[y][x]
for x in range(len(m[y])))
for y in range(len(m)))
def findFirstSolution(m, path=[]):
# print path
# print m
if sum(map(sum, m)) == 0: # empty?
return path
for move in eachPossibleMove(m):
return findFirstSolution(bomb(m, move), path + [ move ])
def findShortestSolution(m):
black = {}
nextWhite = { m: [] }
while nextWhite:
white = nextWhite
nextWhite = {}
for position, path in white.iteritems():
for move in eachPossibleMove(position):
nextPosition = bomb(position, move)
nextPath = path + [ move ]
if sum(map(sum, nextPosition)) == 0: # empty?
return nextPath
if nextPosition in black or nextPosition in white:
continue # ignore, found that one before
nextWhite[nextPosition] = nextPath
def main(argv):
if argv[1] == 'first':
print findFirstSolution(M)
elif argv[1] == 'shortest':
print findShortestSolution(M)
else:
raise NotImplementedError(argv[1])
if __name__ == '__main__':
import sys
sys.exit(main(sys.argv))
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;
}
