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
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。
其他回答
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
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
我也有28招。我使用了两个测试来确定最佳下一步:第一个是产生最小棋盘和的一步。其次，对于相等的和，产生最大密度的移动，定义为:
number-of-zeros / number-of-groups-of-zeros
我是哈斯克尔。“解决板”显示引擎的解决方案。你可以通过输入“main”来玩游戏，然后输入目标点，“best”作为推荐，或者“quit”退出。
输出: *主>解决板 [(4, 4),(3、6),(3),(2,2),(2,2),(4、6)(4、6),(2,6),(2),(4,2)(2,6),(3),(4,3)(2,6)(4,2)(4、6)(4、6),(3、6),(2,6)(2,6)(2、4)(2、4)(2,6),(6),(4,2)(4,2)(4,2)(4,2)]
import Data.List
import Data.List.Split
import Data.Ord
import Data.Function(on)
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]
n = 5
m = 7
updateBoard board pt =
let x = fst pt
y = snd pt
precedingLines = replicate ((y-2) * n) 0
bomb = concat $ replicate (if y == 1
then 2
else min 3 (m+2-y)) (replicate (x-2) 0
++ (if x == 1
then [1,1]
else replicate (min 3 (n+2-x)) 1)
++ replicate (n-(x+1)) 0)
in zipWith (\a b -> max 0 (a-b)) board (precedingLines ++ bomb ++ repeat 0)
showBoard board =
let top = " " ++ (concat $ map (\x -> show x ++ ".") [1..n]) ++ "\n"
chunks = chunksOf n board
in putStrLn (top ++ showBoard' chunks "" 1)
where showBoard' [] str count = str
showBoard' (x:xs) str count =
showBoard' xs (str ++ show count ++ "." ++ show x ++ "\n") (count+1)
instances _ [] = 0
instances x (y:ys)
| x == y = 1 + instances x ys
| otherwise = instances x ys
density a =
let numZeros = instances 0 a
groupsOfZeros = filter (\x -> head x == 0) (group a)
in if null groupsOfZeros then 0 else numZeros / fromIntegral (length groupsOfZeros)
boardDensity board = sum (map density (chunksOf n board))
moves = [(a,b) | a <- [2..n-1], b <- [2..m-1]]
bestMove board =
let lowestSumMoves = take 1 $ groupBy ((==) `on` snd)
$ sortBy (comparing snd) (map (\x -> (x, sum $ updateBoard board x)) (moves))
in if null lowestSumMoves
then (0,0)
else let lowestSumMoves' = map (\x -> fst x) (head lowestSumMoves)
in fst $ head $ reverse $ sortBy (comparing snd)
(map (\x -> (x, boardDensity $ updateBoard board x)) (lowestSumMoves'))
solve board = solve' board [] where
solve' board result
| sum board == 0 = result
| otherwise =
let best = bestMove board
in solve' (updateBoard board best) (result ++ [best])
main :: IO ()
main = mainLoop board where
mainLoop board = do
putStrLn ""
showBoard board
putStr "Pt: "
a <- getLine
case a of
"quit" -> do putStrLn ""
return ()
"best" -> do putStrLn (show $ bestMove board)
mainLoop board
otherwise -> let ws = splitOn "," a
pt = (read (head ws), read (last ws))
in do mainLoop (updateBoard board pt)
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();
}
}
