投弹算法

我有一个nxm个由非负整数组成的矩阵。例如:

“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

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。

2013-03-10 15:29:20

其他回答

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。

2013-03-08 22:56:52

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

2013-09-06 09:49:17

这里有一个解决方案，推广良好的性质的角。

让我们假设我们可以为给定的字段找到一个完美的落点，也就是说，一个减少其中值的最佳方法。然后，为了找到最少的炸弹数量，一个算法的初稿可能是(代码是从ruby实现中复制粘贴的):

dropped_bomb_count = 0
while there_are_cells_with_non_zero_count_left
  coordinates = choose_a_perfect_drop_point
  drop_bomb(coordinates)
  dropped_bomb_count += 1
end
return dropped_bomb_count

挑战是choose_a_perfect_drop_point。首先，让我们定义一个完美的落点是什么。

(x, y)的放置点会减少(x, y)中的值。它也可能会减少其他单元格中的值。 (x, y)的放置点A比(x, y)的放置点b更好，如果它减少了b所减少的单元格的适当超集中的值。如果没有其他更好的投放点，投放点是最大的。 (x, y)的两个放置点是等效的，如果它们减少了同一组单元格。如果(x, y)的放置点等价于(x, y)的所有最大放置点，那么它就是完美的。

如果(x, y)存在一个完美的投放点，那么您不能比在(x, y)的一个完美投放点上投放炸弹更有效地降低(x, y)处的值。

给定字段的完美放置点是其任何单元格的完美放置点。

以下是一些例子:

单元格(0,0)(从零开始的索引)的完美放置点是(1,1)。(1,1)的所有其他放置点，即(0,0)、(0,1)和(1,0)，减少的单元格较少。

单元格(2,2)(从零开始的索引)的完美落点是(2,2)，以及所有周围的单元格(1,1)、(1,2)、(1,3)、(2,1)、(2,3)、(3,1)、(3,2)和(3,3)。

单元格(2,2)的完美放置点是(3,1):它减少了(2,2)中的值和(4,0)中的值。(2,2)的所有其他放置点都不是最大的，因为它们减少了一个单元格。(2,2)的完美下拉点也是(4,0)的完美下拉点，它是字段的唯一完美下拉点。它为这个领域带来了完美的解决方案(一颗炸弹)。

(2,2)没有完美的落点:(1,1)和(1,3)都减少(2,2)和另一个单元格(它们是(2,2)的最大落点)，但它们不相等。然而，(1,1)是(0,0)的完美落点，(1,3)是(0,4)的完美落点。

根据完美落点的定义和一定的检查顺序，我得到了以下问题示例的结果:

Drop bomb on 1, 1
Drop bomb on 1, 1
Drop bomb on 1, 5
Drop bomb on 1, 5
Drop bomb on 1, 5
Drop bomb on 1, 6
Drop bomb on 1, 2
Drop bomb on 1, 2
Drop bomb on 0, 6
Drop bomb on 0, 6
Drop bomb on 2, 1
Drop bomb on 2, 5
Drop bomb on 2, 5
Drop bomb on 2, 5
Drop bomb on 3, 1
Drop bomb on 3, 0
Drop bomb on 3, 0
Drop bomb on 3, 0
Drop bomb on 3, 0
Drop bomb on 3, 0
Drop bomb on 3, 4
Drop bomb on 3, 4
Drop bomb on 3, 3
Drop bomb on 3, 3
Drop bomb on 3, 6
Drop bomb on 3, 6
Drop bomb on 3, 6
Drop bomb on 4, 6
28

然而，该算法只有在每一步之后至少有一个完美落点时才能工作。可以在没有完美落点的情况下构建例子:

对于这些情况，我们可以修改算法，这样我们就不会选择完美的落点，而是选择一个具有最大落点的最小选择的坐标，然后计算每个选择的最小值。在上面的例子中，所有有值的单元格都有两个最大落点。例如，(0,1)有最大落点(1,1)和(1,2)。选择其中任何一个，然后计算最小值，会得到这样的结果:

Drop bomb on 1, 1
Drop bomb on 2, 2
Drop bomb on 1, 2
Drop bomb on 2, 1
2

2013-03-10 22:47:02

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

2013-03-08 18:00:17

对于更新后的问题，简单的贪心算法可以得到最优结果。

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。

2013-03-10 15:29:20

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