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

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!

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。

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

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;
    }

有一种方法可以把这个问题简化为一个简单的子问题。

解释分为两部分,算法和算法的原因 提供最优解决方案。没有第二个,第一个就说不通了,所以我 从为什么开始。

如果你想轰炸矩形(假设一个大矩形-还没有边缘情况) 你可以看到,只有这样才能减少空心矩形上的正方形 周长到0的意思是炸毁周长或者炸毁的空心矩形 就在外围的方块里。我称周长为图层1,其中的矩形为图层2。

一个重要的观点是,没有点轰炸层1,因为 你这样做得到的“爆炸半径”总是包含在爆炸半径内 另一个来自第2层的正方形。你应该很容易就能说服自己。

所以,我们可以把问题简化为找到一个最优的方法来炸开周长,然后我们可以重复这个过程,直到所有的平方都为0。

但当然了,如果有爆炸的可能,并不总能找到最优解 以一种不太理想的方式远离周边,但通过使用X个额外的炸弹制造 用>X炸弹减少内层的问题。如果我们调用 第一层,如果我们在第二层的某个地方放置一个额外的X炸弹(只是 在第1层内,我们可以减少之后轰炸第2层的努力吗 X ?换句话说,我们必须证明我们可以贪心化简外部 周长。

但是,我们知道我们可以贪婪。因为第2层的炸弹永远不会更多 有效减少第2层到0比战略上放置炸弹在第3层。和 因为和之前一样的原因-总有一个炸弹我们可以放在第3层 将影响第2层的每一个方块,炸弹放在第2层可以。所以,它可以 永远不要伤害我们的贪婪(在这个意义上的贪婪)。

所以,我们要做的就是找到最优的方法,通过轰炸将许可值降为0 下一个内层。

我们永远不会因为先把角落炸到0而受伤,因为只有内层的角落可以到达,所以我们真的没有选择(并且,任何可以到达角落的周长炸弹的爆炸半径都包含在内层角落的爆炸半径中)。

一旦我们这样做了,与0角相邻的周长上的正方形只能由内层的2个正方形到达:

0       A       B

C       X       Y

D       Z

在这一点上,周长实际上是一个封闭的1维环,因为任何炸弹都会减少3个相邻的正方形。除了角落附近的一些奇怪之处——X可以“击中”A、B、C和D。

Now we can't use any blast radius tricks - the situation of each square is symmetric, except for the weird corners, and even there no blast radius is a subset of another. Note that if this were a line (as Colonel Panic discusses) instead of a closed loop the solution is trivial. The end points must be reduced to 0, and it never harms you to bomb the points adjacent to the end points, again because the blast radius is a superset. Once you have made your endpoint 0, you still have a new endpoint, so repeat (until the line is all 0).

所以,如果我们可以优化地将层中的单个正方形减少到0,我们就有了一个算法(因为我们已经切断了循环,现在有了一条带有端点的直线)。我相信轰炸与最小值相邻的正方形(给你2个选项),这样在最小值的2个正方形内的最大值就是最小值(你可能不得不分割你的轰炸来管理这一点)将是最优的,但我还没有证明。