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
你可以使用状态空间规划。 例如，使用A*(或其变体之一)加上启发式f = g + h，如下所示:
G:到目前为止投下的炸弹数量 H:网格中所有值的总和除以9(这是最好的结果，意味着我们有一个可接受的启发式)
其他回答
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。
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。
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。
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;
}
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。
