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

这个贪婪的解决方案似乎是正确的:

正如评论中指出的那样,它在2D中会失败。但也许你可以改进它。

1 d: 如果至少有2个数字,你不需要从最左边的那个开始射击,因为从第二个开始射击并不差。所以射到第二个,而第一个不是0,因为你必须这么做。移动到下一个单元格。不要忘记最后一个单元格。

c++代码:

void bombs(vector<int>& v, int i, int n){
    ans += n;
    v[i] -= n;
    if(i > 0)
        v[i - 1] -= n;
    if(i + 1< v.size())
        v[i + 1] -= n;
}

void solve(vector<int> v){
    int n = v.size();
    for(int i = 0; i < n;++i){
        if(i != n - 1){
            bombs(v, i + 1, v[i]);
        }
        else
            bombs(v, i, v[i])
    }
}

对于2D: 再次强调:你不需要在第一行拍摄(如果有第二行)。所以要射到第二个。解决第一行的1D任务。(因为你需要使它为空)。下降。别忘了最后一排。

其他回答

对于更新后的问题,简单的贪心算法可以得到最优结果。

向单元格A[1,1]投掷A[0,0]炸弹,然后向单元格A[2,1]投掷A[1,0]炸弹,并继续向下此过程。要清除左下角,向单元格A[n -2,1]投掷max(A[n -1,0], A[n -2,0], A[n -3,0])炸弹。这将完全清除前3列。

用同样的方法清除第3、4、5列,然后是第6、7、8列,等等。

不幸的是,这并不能帮助找到最初问题的解决方案。


“更大”的问题(没有“非增加”约束)可能被证明是np困难的。这是证明的草图。

假设我们有一个度为3的平面图形。我们来求这个图的最小顶点覆盖。根据维基百科的文章,这个问题对于3次以下的平面图形是np困难的。这可以通过平面3SAT的简化来证明。平面3SAT的硬度由3SAT降低而成。这两个证明都在Erik Demaine教授最近的“算法下界”讲座(第7和第9讲)中提出。

如果我们分割原始图的一些边(图中左边的图),每条边都有偶数个额外的节点,结果图(图中右边的图)应该对原始顶点具有完全相同的最小顶点覆盖。这样的转换允许将图顶点对齐到网格上的任意位置。

如果我们将图顶点只放置在偶数行和列上(这样就不会有两条边与一个顶点形成锐角),在有边的地方插入“1”,在其他网格位置插入“0”,我们可以使用原始问题的任何解决方案来找到最小顶点覆盖。

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

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

没有必要将问题转化为线性子问题。

相反,使用简单的贪婪启发式,即从最大的角落开始轰炸角落。

在给定的例子中,有四个角,{2,1,6,4}。对于每个角落,没有比轰炸单元格对角线更好的移动了,所以我们知道我们的第一个2+1+6+4 = 13次轰炸必须在这些对角线单元格中。在完成轰炸之后,我们会得到一个新的矩阵:

2 3 4 7 1      0 1 1 6 0      0 1 1 6 0     1 1 6 0     0 0 5     0 0 0 
1 5 2 6 2      0 3 0 5 1      0 3 0 5 1  => 1 0 4 0  => 0 0 3  => 0 0 0  
4 3 4 2 1      2 1 1 1 0      2 1 1 1 0     0 0 0 0     0 0 0     0 0 3  
2 1 2 4 1  =>  2 1 2 4 1  =>  2 1 2 4 1     0 0 3 0     0 0 3      
3 1 3 4 1      0 0 0 0 0      0 0 0 0 0 
2 1 4 3 2      0 0 0 0 0      0 0 0 0 0 
6 9 1 6 4      0 3 0 2 0      0 0 0 0 0 

在前13次爆炸之后,我们使用启发式方法通过3次爆炸消除3 0 2。现在,我们有两个新的角,在第四行{2,1}。我们炸了那些,再炸3次。我们现在已经将矩阵化简为4 * 4。有一个角落,左上角。我们搞砸了。现在我们还有两个角,{5,3}。因为5是最大的角,我们首先轰炸5个角,然后最后轰炸另一个角的3。总数是13+3+3+1+5+3 = 28。

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。