poj_1084 剪枝-IDA*
题目大意
给出一个由2*S*(S+1)构成的S*S大小的火柴格。火柴可以构成1x1,2x2...SxS大小的方格。其中已经拿走了几个火柴,问最少再拿走几个火柴可以使得这些火柴无法构成任何一个方格。
题目分析
本题,采用的是搜索+剪枝来实现。需要做的是保存每个搜索节点的状态,以及通过合理的记录数据,对状态进行推演。
这里状态为:当前需要被拆除的火柴序号(match_index,可以拆除或者不拆除)+当前剩余的完整的方格的数目(left_square_num)+
当前已经拆除的火柴数目(taken_num,可以用于最优化剪枝)。
而记录数据可以为:火柴i是否位于方块j中 gMatchInSquare[i][j]. 方块s中最大的火柴序号 gMaxMatchInSquare[s](用于剪枝)。
这样,使用最优化剪枝,DFS搜索。剪枝:
(1)对于当前节点,若taken_num > gMinTakenNum,则剪枝返回;
(2)如果火柴 match_index 不存在任何一个剩余的完整的方块中,则不必拆除match_index,即剪枝拆除match_index的情况;
(3)如果火柴 match_index 是当前剩余的某个完整方块的构成火柴的最大的序号,则必须进行拆除(因为,对于火柴是按照序号从小到大进行递归搜索,如果match_index为某个方格的最大序号,则若不删除,之后的任何火柴都不在该方格中,无法破坏该方格),即剪枝不拆除的情况;
单纯使用以上剪枝,仍然会超时,则考虑使用估计函数来进行深度剪枝:考虑当前剩余的所有完整方格中不相交的方格的个数K,则从当前状态开始,至少还需要拆除K个火柴,才可能达到没有完整方格的状态。因此 taken_num >= gMinTakenNum改为 taken_num + SeperateCompleteSquareNum() > gMinTakenNum,进行剪枝。
实现方法
可以采用单纯的剪枝,或者采用IDA算法。
实现(c++)
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
#include<vector>
#include<algorithm>
#define INFINITE 1 << 30
#define MAX_MATCH_NUM 2*5*6
#define MAX_SQUARE_NUM MAX_MATCH_NUM*5
using namespace std;
bool gMatchInSquare[MAX_MATCH_NUM][MAX_SQUARE_NUM]; //判断火柴i是否位于方块j中
bool gSquareComplete[MAX_SQUARE_NUM]; //方块s是否完整
int gMaxMatchInSquare[MAX_SQUARE_NUM]; //方块s中最大的火柴序号 int gMinTakenNum; //最少需要拿走的火柴数目
int gTotalSquareNum; //没有任何火柴被拿走的情况下,总的方格数目
int gTotalMatchNum; //没有任何火柴被拿走的情况下,总的火柴数 vector<int> gNotMissedMatch; //没有被拿走的火柴集合,从中选择拿走的火柴 //初始化,主要是对于S*S的网格,判断 每个火柴位于那些方格中,以及每个方格中的最大的火柴序号
void Init(int size){
memset(gMatchInSquare, false, sizeof(gMatchInSquare));
memset(gSquareComplete, true, sizeof(gSquareComplete)); gTotalMatchNum = 2 * (size + 1)*size;
int s = size;
gTotalSquareNum = 0;
while (s > 0){
gTotalSquareNum += s*s;
s--;
}
s = 1;
int total_square_index = 0;
while (s <= size){ for (int square_index = 0; square_index < (size - s + 1)*(size - s + 1); square_index++){
int match_index = (square_index / (size - s + 1))*(2 * size + 1) + (square_index % (size - s + 1));
int up_beg = match_index;
int left_beg = match_index + size;
int right_beg = left_beg + s;
int down_beg = up_beg + s*(1 + size*2); for (int i = 0; i < s; i++){
gMatchInSquare[up_beg + i][total_square_index] = true;
gMatchInSquare[down_beg + i][total_square_index] = true;
gMatchInSquare[left_beg + i*(2 * size + 1)][total_square_index] = true;
gMatchInSquare[right_beg + i*(2 * size + 1)][total_square_index] = true;
}
gMaxMatchInSquare[total_square_index] = down_beg + s - 1;
total_square_index++;
}
s++;
}
} //判断火柴m位于那些完整的方格中,以及m是否是某些网格的最大序号火柴
void MatchInCompleteSquare(int m, vector<int>& complete_square_contain_match, bool* match_is_max){
*match_is_max = false;
for (int s = 0; s < gTotalSquareNum; s++){
if (gMatchInSquare[m][s] && gSquareComplete[s]){
complete_square_contain_match.push_back(s);
if (gMaxMatchInSquare[s] == m){
*match_is_max = true;
}
}
}
} //获得当前剩余的完整网格中,不相交的网格的数目
int SeperateCompleteSquareNum(int n){
int result = 0;
typedef pair<int, int> MatchNumSquarePair;
vector<MatchNumSquarePair> ms_vec;
for (int s = 0; s < gTotalSquareNum; s++){
if (!gSquareComplete[s])
continue;
int num = 0;
for (int m = 0; m < gTotalMatchNum; m++){
if (gMatchInSquare[m][s])
num++;
}
ms_vec.push_back(MatchNumSquarePair(num, s));
}
sort(ms_vec.begin(), ms_vec.end());
vector<bool> match_used(gTotalMatchNum, false); for (int i = 0; i < ms_vec.size(); i++){
MatchNumSquarePair ms_pair = ms_vec[i];
bool ok = true;
for (int m = n; m < gTotalMatchNum; m++){
if (match_used[m] && gMatchInSquare[m][ms_pair.second]){
ok = false;
}
}
if (ok){
for (int m = n; m < gTotalMatchNum; m++){
if (gMatchInSquare[m][ms_pair.second]){
match_used[m] = true;
}
}
result++;
}
}
return result;
}
/* //单纯的估计函数进行剪枝,不适用IDA算法
void Destroy(int n, int taken_num, int left_complete_square){
if (n == gNotMissedMatch.size()){
return;
}
if (left_complete_square == 0){
gMinTakenNum = gMinTakenNum < taken_num ? gMinTakenNum : taken_num;
return;
} //估价函数剪枝
if (taken_num + SeperateCompleteSquareNum(gNotMissedMatch[n]) >= gMinTakenNum){
return;
} int match = gNotMissedMatch[n];
vector<int> complete_square_contain_match;
bool match_is_max_in_square;
MatchInCompleteSquare(match, complete_square_contain_match, &match_is_max_in_square); //如果火柴 match_index 不存在任何一个剩余的完整的方块中,则不必拆除match_index,剪枝1
if (complete_square_contain_match.empty()){
Destroy(n + 1, taken_num, left_complete_square);
}
else{
//如果火柴 match_index 是当前剩余的某个完整方块的构成火柴的最大的序号,则必须进行拆除,即剪枝不拆除的情况;剪枝2
if (!match_is_max_in_square){
Destroy(n + 1, taken_num, left_complete_square);
}
for (int i = 0; i < complete_square_contain_match.size(); i++){
int s = complete_square_contain_match[i];
gSquareComplete[s] = false;
}
Destroy(n + 1, taken_num + 1, left_complete_square - complete_square_contain_match.size());
for (int i = 0; i < complete_square_contain_match.size(); i++){
int s = complete_square_contain_match[i];
gSquareComplete[s] = true;
}
}
}*/
/*
//IDA 迭代加深,每次只增加1个深度
void Destroy(int n, int taken_num, int left_complete_square, bool* destroy_over){
if (*destroy_over)
return; if (n == gNotMissedMatch.size()){
return;
}
if (left_complete_square == 0){
*destroy_over = true;
return;
}
int seperate_complete_square_num = SeperateCompleteSquareNum(gNotMissedMatch[n]);
if (taken_num + seperate_complete_square_num > gMinTakenNum){
return;
} int match = gNotMissedMatch[n];
vector<int> complete_square_contain_match;
bool match_is_max_in_square;
MatchInCompleteSquare(match, complete_square_contain_match, &match_is_max_in_square); if (complete_square_contain_match.empty()){
Destroy(n + 1, taken_num, left_complete_square, destroy_over);
}
else{
if (!match_is_max_in_square){
Destroy(n + 1, taken_num, left_complete_square, destroy_over);
}
for (int i = 0; i < complete_square_contain_match.size(); i++){
int s = complete_square_contain_match[i];
gSquareComplete[s] = false;
}
Destroy(n + 1, taken_num + 1, left_complete_square - complete_square_contain_match.size(), destroy_over);
for (int i = 0; i < complete_square_contain_match.size(); i++){
int s = complete_square_contain_match[i];
gSquareComplete[s] = true;
}
}
}
*/
//IDA迭代加深,每次可能增加多个深度,由next_min_taken_num指定
void Destroy(int n, int taken_num, int left_complete_square, int & next_min_taken_num){
if (next_min_taken_num <= gMinTakenNum){
return;
}
if (n == gNotMissedMatch.size()){
return;
}
if (left_complete_square == 0){
next_min_taken_num = next_min_taken_num < taken_num ? next_min_taken_num : taken_num;
return;
}
int seperate_complete_square_num = SeperateCompleteSquareNum(gNotMissedMatch[n]);
if (taken_num + seperate_complete_square_num > gMinTakenNum){
next_min_taken_num = next_min_taken_num < taken_num + seperate_complete_square_num ? next_min_taken_num : seperate_complete_square_num + taken_num;
return;
} int match = gNotMissedMatch[n];
vector<int> complete_square_contain_match;
bool match_is_max_in_square;
MatchInCompleteSquare(match, complete_square_contain_match, &match_is_max_in_square); if (complete_square_contain_match.empty()){
Destroy(n + 1, taken_num, left_complete_square, next_min_taken_num);
}
else{
if (!match_is_max_in_square){
Destroy(n + 1, taken_num, left_complete_square, next_min_taken_num);
}
for (int i = 0; i < complete_square_contain_match.size(); i++){
int s = complete_square_contain_match[i];
gSquareComplete[s] = false;
}
Destroy(n + 1, taken_num + 1, left_complete_square - complete_square_contain_match.size(), next_min_taken_num);
for (int i = 0; i < complete_square_contain_match.size(); i++){
int s = complete_square_contain_match[i];
gSquareComplete[s] = true;
}
}
} //IDA方法
void Resolve(int left_complete_square){
gMinTakenNum = SeperateCompleteSquareNum(gNotMissedMatch[0]);
int next_min_taken_num;
bool destroy_over;
while (true){ //IDA2
next_min_taken_num = INFINITE;
Destroy(0, 0, left_complete_square, next_min_taken_num);
if (next_min_taken_num <= gMinTakenNum){
gMinTakenNum = next_min_taken_num;
return;
}
gMinTakenNum = next_min_taken_num;
/*
IDA1
destroy_over = false; Destroy(0, 0, left_complete_square, &destroy_over);
if (destroy_over){
return;
}
gMinTakenNum++;
*/
}
} int main(){
int T;
scanf("%d", &T);
while (T--){
int size, k;
scanf("%d %d", &size, &k);
Init(size);
gNotMissedMatch.clear();
for (int i = 0; i < gTotalMatchNum; i++){
gNotMissedMatch.push_back(i);
}
gMinTakenNum = INFINITE;
int missed_match_index, left_complete_square = gTotalSquareNum;
for (int i = 0; i < k; i++){
scanf("%d", &missed_match_index);
missed_match_index--;
gNotMissedMatch.erase(find(gNotMissedMatch.begin(), gNotMissedMatch.end(), missed_match_index));
for (int j = 0; j < gTotalSquareNum; j++){
if (gMatchInSquare[missed_match_index][j] && gSquareComplete[j]){
gSquareComplete[j] = false;
left_complete_square--;
}
}
}
//普通的 估价剪枝
//Destroy(0, 0, left_complete_square);
//IDA 1或者2
Resolve(left_complete_square);
printf("%d\n", gMinTakenNum);
}
return 0;
}
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