本页面将介绍精确覆盖问题、重复覆盖问题,解决这两个问题的算法「X 算法」,以及用来优化 X 算法的双向十字链表 Dancing Link.本页也将介绍如何在建模的配合下使用 DLX 解决一些搜索题.
精确覆盖问题
定义
精确覆盖问题(英文:Exact Cover Problem)是指给定许多集合 以及一个集合 ,求满足以下条件的无序多元组 :
解释
例如,若给出
则 为一组合法解.
问题转化
将 中的所有数离散化,可以得到这么一个模型:
给定一个 01 矩阵,你可以选择一些行(row),使得最终每列(column)1都恰好有一个 1. 举个例子,我们对上文中的例子进行建模,可以得到这么一个矩阵:
其中第 行表示着 ,而这一行的每个数依次表示 .
实现
暴力 1
一种方法是枚举选择哪些行,最后检查这个方案是否合法.
因为每一行都有选或者不选两种状态,所以枚举行的时间复杂度是 的;
而每次检查都需要 的时间复杂度.所以总的复杂度是 .
实现
int ok = 0;
for (int state = 0; state < 1 << n; ++state) { // 枚举每行是否被选
for (int i = 1; i <= n; ++i)
if ((1 << i - 1) & state)
for (int j = 1; j <= m; ++j) a[i][j] = 1;
int flag = 1;
for (int j = 1; j <= m; ++j)
for (int i = 1, bo = 0; i <= n; ++i)
if (a[i][j]) {
if (bo)
flag = 0;
else
bo = 1;
}
if (!flag)
continue;
else {
ok = 1;
for (int i = 1; i <= n; ++i)
if ((1 << i - 1) & state) printf("%d ", i);
puts("");
}
memset(a, 0, sizeof(a));
}
if (!ok) puts("No solution.");
暴力 2
考虑到 01 矩阵的特殊性质,每一行都可以看做一个 位二进制数.
因此原问题转化为
给定 个 位二进制数,要求选择一些数,使得任意两个数的与都为 0,且所有数的或为 .
tmp表示的是截至目前被选中的二进制数的或.
因为每一行都有选或者不选两种状态,所以枚举行的时间复杂度为 ;
而每次计算 tmp 都需要 的时间复杂度.所以总的复杂度为 .
实现
int ok = 0;
for (int i = 1; i <= n; ++i)
for (int j = m; j >= 1; --j) num[i] = num[i] << 1 | a[i][j];
for (int state = 0; state < 1 << n; ++state) {
int tmp = 0;
bool flag = true;
for (int i = 1; i <= n; ++i)
if ((1 << i - 1) & state) {
if (tmp & num[i]) {
flag = false;
break;
}
tmp |= num[i];
}
if (flag && tmp == (1 << m) - 1) {
ok = 1;
for (int i = 1; i <= n; ++i)
if ((1 << i - 1) & state) printf("%d ", i);
puts("");
}
}
if (!ok) puts("No solution.");
重复覆盖问题
重复覆盖问题与精确覆盖问题类似,但没有对元素相似性的限制.下文介绍的 X 算法 原本针对精确覆盖问题,但经过一些修改和优化(已标注在其中)同样可以高效地解决重复覆盖问题.
X 算法
Donald E. Knuth 提出了 X 算法 (Algorithm X),其思想与刚才的暴力差不多,但是方便优化.
过程
继续以上文中中提到的例子为载体,得到一个这样的 01 矩阵:
-
此时第一行有 个 ,第二行有 个 ,第三行有 个 ,第四行有 个 ,第五行有 个 ,第六行有 个 .选择第一行,将它删除,并将所有 所在的列打上标记;
-
选择所有被标记的列,将它们删除,并将这些列中含 的行打上标记(重复覆盖问题无需打标记);
-
选择所有被标记的行,将它们删除;
这表示这一行已被选择,且这一行的所有 所在的列不能有其他 了.
于是得到一个新的小 01 矩阵:
-
此时第一行(原来的第二行)有 个 ,第二行(原来的第四行)有 个 ,第三行(原来的第五行)有 个 .选择第一行(原来的第二行),将它删除,并将所有 所在的列打上标记;
-
选择所有被标记的列,将它们删除,并将这些列中含 的行打上标记;
-
选择所有被标记的行,将它们删除;
这样就得到了一个空矩阵.但是上次删除的行
1 0 1 1不是全 的,说明选择有误; -
回溯到步骤 4,考虑选择第二行(原来的第四行),将它删除,并将所有 所在的列打上标记;
-
选择所有被标记的列,将它们删除,并将这些列中含 的行打上标记;
-
选择所有被标记的行,将它们删除;
于是我们得到了这样的一个矩阵:
-
此时第一行(原来的第五行)有 个 ,将它们全部删除,得到一个空矩阵:
-
上一次删除的时候,删除的是全 的行,因此成功,算法结束.
答案即为被删除的三行:.
强烈建议自己模拟一遍矩阵删除、还原与回溯的过程后,再接着阅读下文.
通过上述步骤,可将 X 算法的流程概括如下:
-
对于现在的矩阵 ,选择并标记一行 ,将 添加至 中;
-
如果尝试了所有的 却无解,则算法结束,输出无解;
-
标记与 相关的行 和 (相关的行和列与 X 算法 中第 2 步定义相同,下同);
-
删除所有标记的行和列,得到新矩阵 ;
-
如果 为空,且 为全 ,则算法结束,输出被删除的行组成的集合 ;
如果 为空,且 不全为 ,则恢复与 相关的行 以及列 ,跳转至步骤 1;
如果 不为空,则跳转至步骤 1.
不难看出,X 算法需要大量的「删除行」、「删除列」和「恢复行」、「恢复列」的操作.
一个朴素的想法是,使用一个二维数组存放矩阵,再用四个数组分别存放每一行与之相邻的行编号,每次删除和恢复仅需更新四个数组中的元素.但由于一般问题的矩阵中 0 的数量远多于 1 的数量,这样做的空间复杂度难以接受.
Donald E. Knuth 想到了用双向十字链表来维护这些操作.
而在双向十字链表上不断跳跃的过程被形象地比喻成「跳跃」,因此被用来优化 X 算法的双向十字链表也被称为「Dancing Links」.
Dancing Links 优化的 X 算法
预编译命令
#define IT(i, A, x) for (i = A[x]; i != x; i = A[i])
定义
双向十字链表中存在四个指针域,分别指向上、下、左、右的元素;且每个元素 在整个双向十字链表系中都对应着一个格子,因此还要表示 所在的列和所在的行,如图所示:
大型的双向链表则更为复杂:
每一行都有一个行首指示,每一列都有一个列指示.
行首指示为 first[],列指示是我们新建的 个哨兵结点.值得注意的是,行首指示并非是链表中的哨兵结点.它是虚拟的,类似于邻接表中的 first[] 数组,直接指向 这一行中的首元素.
同时,每一列都有一个 siz[] 表示这一列的元素个数.
特殊地, 号结点无右结点等价于这个 Dancing Links 为空.
constexpr int MS = 1e5 + 5;
int n, m, idx, first[MS], siz[MS];
int L[MS], R[MS], U[MS], D[MS];
int col[MS], row[MS];
过程
remove 操作
remove(c) 表示在 Dancing Links 中删除第 列以及与其相关的行和列.
先将 删除,此时:
- 左侧的结点的右结点应为 的右结点.
- 右侧的结点的左结点应为 的左结点.
即 L[R[c]] = L[c], R[L[c]] = R[c];.
然后顺着这一列往下走,把走过的每一行都删掉.
如何删掉每一行呢?枚举当前行的指针 ,此时:
- 上方的结点的下结点应为 的下结点.
- 下方的结点的上结点应为 的上结点.
注意要修改每一列的元素个数.
即 U[D[j]] = U[j], D[U[j]] = D[j], --siz[col[j]];.
remove 函数的代码实现如下:
实现
void remove(const int &c) {
int i, j;
L[R[c]] = L[c], R[L[c]] = R[c];
// 顺着这一列从上往下遍历
IT(i, D, c)
// 顺着这一行从左往右遍历
IT(j, R, i)
U[D[j]] = U[j], D[U[j]] = D[j], --siz[col[j]];
}
recover 操作
recover(c) 表示在 Dancing Links 中还原第 列以及与其相关的行和列.
recover(c) 即 remove(c) 的逆操作,这里不再赘述.
值得注意的是, recover(c) 的所有操作的顺序与 remove(c) 的操作恰好相反.
recover(c) 的代码实现如下:
实现
void recover(const int &c) {
int i, j;
IT(i, U, c) IT(j, L, i) U[D[j]] = D[U[j]] = j, ++siz[col[j]];
L[R[c]] = R[L[c]] = c;
}
build 操作
build(r, c) 表示新建一个大小为 ,即有 行, 列的 Dancing Links.
新建 个结点作为列指示.
第 个点的左结点为 ,右结点为 ,上结点为 ,下结点为 .特殊地, 结点的左结点为 , 结点的右结点为 .
于是我们得到了一个环状双向链表:
这样就初始化了一个 Dancing Links.
build(r, c) 的代码实现如下:
实现
void build(const int &r, const int &c) {
n = r, m = c;
for (int i = 0; i <= c; ++i) {
L[i] = i - 1, R[i] = i + 1;
U[i] = D[i] = i;
}
L[0] = c, R[c] = 0, idx = c;
memset(first, 0, sizeof(first));
memset(siz, 0, sizeof(siz));
}
insert 操作
insert(r, c) 表示在第 行,第 列插入一个结点.
插入操作分为两种情况:
-
如果第 行没有元素,那么直接插入一个元素,并使
first[r]指向这个元素.这可以通过
first[r] = L[idx] = R[idx] = idx;来实现. -
如果第 行有元素,那么将这个新元素用一种特殊的方式与 和 连接起来.
设这个新元素为 ,然后:
-
把 插入到 的正下方,此时:
- 下方的结点为原来 的下结点;
- 下方的结点(即原来 的下结点)的上结点为 ;
- 的上结点为 ;
- 的下结点为 .
注意记录 的所在列和所在行,以及更新这一列的元素个数.
col[++idx] = c, row[idx] = r, ++siz[c]; U[idx] = c, D[idx] = D[c], U[D[c]] = idx, D[c] = idx;强烈建议读者完全掌握这几步的顺序后再继续阅读本文.
-
把 插入到 的正右方,此时:
- 右侧的结点为原来 的右结点;
- 原来 右侧的结点的左结点为 ;
- 的左结点为 ;
- 的右结点为 .
L[idx] = first[r], R[idx] = R[first[r]]; L[R[first[r]]] = idx, R[first[r]] = idx;强烈建议读者完全掌握这几步的顺序后再继续阅读本文.
-
insert(r, c) 这个操作可以通过图片来辅助理解:
留心曲线箭头的方向.
insert(r, c) 的代码实现如下:
实现
void insert(const int &r, const int &c) {
row[++idx] = r, col[idx] = c, ++siz[c];
U[idx] = c, D[idx] = D[c], U[D[c]] = idx, D[c] = idx;
if (!first[r])
first[r] = L[idx] = R[idx] = idx;
else {
L[idx] = first[r], R[idx] = R[first[r]];
L[R[first[r]]] = idx, R[first[r]] = idx;
}
}
dance 操作
dance() 即为递归地删除以及还原各个行列的过程.
- 如果 号结点没有右结点,那么矩阵为空,记录答案并返回;
- 选择列元素个数最少的一列,并删掉这一列;
- 遍历这一列所有有 的行,枚举它是否被选择;
- 递归调用
dance(),如果可行,则返回;如果不可行,则恢复被选择的行; - 如果无解,则返回.
dance() 的代码实现如下:
实现
bool dance(int dep) {
int i, j, c = R[0];
if (!R[0]) {
ans = dep;
return true;
}
IT(i, R, 0) if (siz[i] < siz[c]) c = i;
remove(c);
IT(i, D, c) {
stk[dep] = row[i];
IT(j, R, i) remove(col[j]);
if (dance(dep + 1)) return true;
IT(j, L, i) recover(col[j]);
}
recover(c);
return false;
}
其中 stk[] 用来记录答案.
注意我们每次优先选择列元素个数最少的一列进行删除,这样能保证程序具有一定的启发性,使搜索树分支最少.
对于重复覆盖问题,在搜索时可以用估价函数(与 A* 中类似)进行剪枝:若当前最好情况下所选行数超过目前最优解,则可以直接返回.
模板
模板代码
#include <cctype>
#include <cstring>
#include <iostream>
constexpr int N = 500 + 10;
int n, m, ans;
int stk[N];
struct DLX {
static constexpr int MAXSIZE = 1e5 + 10;
int n, m, tot, first[MAXSIZE + 10], siz[MAXSIZE + 10];
int L[MAXSIZE + 10], R[MAXSIZE + 10], U[MAXSIZE + 10], D[MAXSIZE + 10];
int col[MAXSIZE + 10], row[MAXSIZE + 10];
void build(const int &r, const int &c) { // 进行build操作
n = r, m = c;
for (int i = 0; i <= c; ++i) {
L[i] = i - 1, R[i] = i + 1;
U[i] = D[i] = i;
}
L[0] = c, R[c] = 0, tot = c;
memset(first, 0, sizeof(first));
memset(siz, 0, sizeof(siz));
}
void insert(const int &r, const int &c) { // 进行insert操作
col[++tot] = c, row[tot] = r, ++siz[c];
D[tot] = D[c], U[D[c]] = tot, U[tot] = c, D[c] = tot;
if (!first[r])
first[r] = L[tot] = R[tot] = tot;
else {
R[tot] = R[first[r]], L[R[first[r]]] = tot;
L[tot] = first[r], R[first[r]] = tot;
}
}
void remove(const int &c) { // 进行remove操作
int i, j;
L[R[c]] = L[c], R[L[c]] = R[c];
for (i = D[c]; i != c; i = D[i])
for (j = R[i]; j != i; j = R[j])
U[D[j]] = U[j], D[U[j]] = D[j], --siz[col[j]];
}
void recover(const int &c) { // 进行recover操作
int i, j;
for (i = U[c]; i != c; i = U[i])
for (j = L[i]; j != i; j = L[j]) U[D[j]] = D[U[j]] = j, ++siz[col[j]];
L[R[c]] = R[L[c]] = c;
}
bool dance(int dep) { // dance
if (!R[0]) {
ans = dep;
return true;
}
int i, j, c = R[0];
for (i = R[0]; i != 0; i = R[i])
if (siz[i] < siz[c]) c = i;
remove(c);
for (i = D[c]; i != c; i = D[i]) {
stk[dep] = row[i];
for (j = R[i]; j != i; j = R[j]) remove(col[j]);
if (dance(dep + 1)) return true;
for (j = L[i]; j != i; j = L[j]) recover(col[j]);
}
recover(c);
return false;
}
} solver;
using std::cin;
using std::cout;
int main() {
cin.tie(nullptr)->sync_with_stdio(false);
cin >> n >> m;
solver.build(n, m);
for (int i = 1; i <= n; ++i)
for (int j = 1; j <= m; ++j) {
int x;
cin >> x;
if (x) solver.insert(i, j);
}
solver.dance(1);
if (ans)
for (int i = 1; i < ans; ++i) cout << stk[i] << ' ';
else
cout << "No Solution!\n";
return 0;
}
性质
DLX 递归及回溯的次数与矩阵中 的个数有关,与矩阵的 等参数无关.因此,它的时间复杂度是 指数级 的,理论复杂度大概在 左右,其中 为某个非常接近于 的常数, 为矩阵中 的个数.
但实际情况下 DLX 表现良好,一般能解决大部分的问题.
建模
DLX 的难点,不全在于链表的建立,而在于建模.
请确保已经完全掌握 DLX 模板后再继续阅读本文.
我们每拿到一个题,应该考虑行和列所表示的意义:
-
行表示决策,因为每行对应着一个集合,也就对应着选/不选;
-
列表示状态,因为第 列对应着某个条件 .
对于某一行而言,由于不同的列的值不尽相同,我们 由不同的状态,定义了一个决策.
例题 1 P1784 数独
解题思路
先考虑决策是什么.
在这一题中,每一个决策可以用形如 的有序三元组表示.
注意到「宫」并不是决策的参数,因为它 可以被每个确定的 表示.
因此有 行.
再考虑状态是什么.
我们思考一下 这个决策将会造成什么影响.记 所在的宫为 .
- 第 行用了一个 (用 列表示);
- 第 列用了一个 (用 列表示);
- 第 宫用了一个 (用 列表示);
- 中填入了一个数(用 列表示).
因此有 列,共 个 .
至此,我们成功地将 的数独问题转化成了一个 有 行, 列,共 个 的精确覆盖问题.
参考代码
#include <cctype>
#include <cstring>
#include <iostream>
constexpr int N = 1e6 + 10;
int ans[10][10], stk[N];
struct DLX {
static constexpr int MAXSIZE = 1e5 + 10;
int n, m, tot, first[MAXSIZE + 10], siz[MAXSIZE + 10];
int L[MAXSIZE + 10], R[MAXSIZE + 10], U[MAXSIZE + 10], D[MAXSIZE + 10];
int col[MAXSIZE + 10], row[MAXSIZE + 10];
void build(const int &r, const int &c) { // 进行build操作
n = r, m = c;
for (int i = 0; i <= c; ++i) {
L[i] = i - 1, R[i] = i + 1;
U[i] = D[i] = i;
}
L[0] = c, R[c] = 0, tot = c;
memset(first, 0, sizeof(first));
memset(siz, 0, sizeof(siz));
}
void insert(const int &r, const int &c) { // 进行insert操作
col[++tot] = c, row[tot] = r, ++siz[c];
D[tot] = D[c], U[D[c]] = tot, U[tot] = c, D[c] = tot;
if (!first[r])
first[r] = L[tot] = R[tot] = tot;
else {
R[tot] = R[first[r]], L[R[first[r]]] = tot;
L[tot] = first[r], R[first[r]] = tot;
}
}
void remove(const int &c) { // 进行remove操作
int i, j;
L[R[c]] = L[c], R[L[c]] = R[c];
for (i = D[c]; i != c; i = D[i])
for (j = R[i]; j != i; j = R[j])
U[D[j]] = U[j], D[U[j]] = D[j], --siz[col[j]];
}
void recover(const int &c) { // 进行recover操作
int i, j;
for (i = U[c]; i != c; i = U[i])
for (j = L[i]; j != i; j = L[j]) U[D[j]] = D[U[j]] = j, ++siz[col[j]];
L[R[c]] = R[L[c]] = c;
}
bool dance(int dep) { // dance
int i, j, c = R[0];
if (!R[0]) {
for (i = 1; i < dep; ++i) {
int x = (stk[i] - 1) / 9 / 9 + 1;
int y = (stk[i] - 1) / 9 % 9 + 1;
int v = (stk[i] - 1) % 9 + 1;
ans[x][y] = v;
}
return true;
}
for (i = R[0]; i != 0; i = R[i])
if (siz[i] < siz[c]) c = i;
remove(c);
for (i = D[c]; i != c; i = D[i]) {
stk[dep] = row[i];
for (j = R[i]; j != i; j = R[j]) remove(col[j]);
if (dance(dep + 1)) return true;
for (j = L[i]; j != i; j = L[j]) recover(col[j]);
}
recover(c);
return false;
}
} solver;
int GetId(int row, int col, int num) {
return (row - 1) * 9 * 9 + (col - 1) * 9 + num;
}
void Insert(int row, int col, int num) {
int dx = (row - 1) / 3 + 1;
int dy = (col - 1) / 3 + 1;
int room = (dx - 1) * 3 + dy;
int id = GetId(row, col, num);
int f1 = (row - 1) * 9 + num; // task 1
int f2 = 81 + (col - 1) * 9 + num; // task 2
int f3 = 81 * 2 + (room - 1) * 9 + num; // task 3
int f4 = 81 * 3 + (row - 1) * 9 + col; // task 4
solver.insert(id, f1);
solver.insert(id, f2);
solver.insert(id, f3);
solver.insert(id, f4);
}
using std::cin;
using std::cout;
int main() {
cin.tie(nullptr)->sync_with_stdio(false);
solver.build(729, 324);
for (int i = 1; i <= 9; ++i)
for (int j = 1; j <= 9; ++j) {
cin >> ans[i][j];
for (int v = 1; v <= 9; ++v) {
if (ans[i][j] && ans[i][j] != v) continue;
Insert(i, j, v);
}
}
solver.dance(1);
for (int i = 1; i <= 9; ++i, cout << '\n')
for (int j = 1; j <= 9; ++j, cout << ' ') cout << ans[i][j];
return 0;
}
例题 2 靶形数独
参考代码
#include <algorithm>
#include <cctype>
#include <cstring>
#include <iostream>
constexpr int oo = 0x3f3f3f3f;
constexpr int N = 1e5 + 10;
constexpr int e[] = {6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7,
6, 6, 7, 8, 8, 8, 8, 8, 7, 6, 6, 7, 8, 9, 9, 9, 8,
7, 6, 6, 7, 8, 9, 10, 9, 8, 7, 6, 6, 7, 8, 9, 9, 9,
8, 7, 6, 6, 7, 8, 8, 8, 8, 8, 7, 6, 6, 7, 7, 7, 7,
7, 7, 7, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6};
int ans = -oo, a[10][10], stk[N];
int GetWeight(int row, int col, int num) { // 求数乘上对应的权值
return num * e[(row - 1) * 9 + (col - 1)];
}
struct DLX {
static constexpr int MAXSIZE = 1e5 + 10;
int n, m, tot, first[MAXSIZE + 10], siz[MAXSIZE + 10];
int L[MAXSIZE + 10], R[MAXSIZE + 10], U[MAXSIZE + 10], D[MAXSIZE + 10];
int col[MAXSIZE + 10], row[MAXSIZE + 10];
void build(const int &r, const int &c) { // 进行build操作
n = r, m = c;
for (int i = 0; i <= c; ++i) {
L[i] = i - 1, R[i] = i + 1;
U[i] = D[i] = i;
}
L[0] = c, R[c] = 0, tot = c;
memset(first, 0, sizeof(first));
memset(siz, 0, sizeof(siz));
}
void insert(const int &r, const int &c) { // 进行insert操作
col[++tot] = c, row[tot] = r, ++siz[c];
D[tot] = D[c], U[D[c]] = tot, U[tot] = c, D[c] = tot;
if (!first[r])
first[r] = L[tot] = R[tot] = tot;
else {
R[tot] = R[first[r]], L[R[first[r]]] = tot;
L[tot] = first[r], R[first[r]] = tot;
}
}
void remove(const int &c) { // 进行remove操作
int i, j;
L[R[c]] = L[c], R[L[c]] = R[c];
for (i = D[c]; i != c; i = D[i])
for (j = R[i]; j != i; j = R[j])
U[D[j]] = U[j], D[U[j]] = D[j], --siz[col[j]];
}
void recover(const int &c) { // 进行recover操作
int i, j;
for (i = U[c]; i != c; i = U[i])
for (j = L[i]; j != i; j = L[j]) U[D[j]] = D[U[j]] = j, ++siz[col[j]];
L[R[c]] = R[L[c]] = c;
}
void dance(int dep) { // dance
int i, j, c = R[0];
if (!R[0]) {
int cur_ans = 0;
for (i = 1; i < dep; ++i) {
int cur_row = (stk[i] - 1) / 9 / 9 + 1;
int cur_col = (stk[i] - 1) / 9 % 9 + 1;
int cur_num = (stk[i] - 1) % 9 + 1;
cur_ans += GetWeight(cur_row, cur_col, cur_num);
}
ans = std::max(ans, cur_ans);
return;
}
for (i = R[0]; i != 0; i = R[i])
if (siz[i] < siz[c]) c = i;
remove(c);
for (i = D[c]; i != c; i = D[i]) {
stk[dep] = row[i];
for (j = R[i]; j != i; j = R[j]) remove(col[j]);
dance(dep + 1);
for (j = L[i]; j != i; j = L[j]) recover(col[j]);
}
recover(c);
}
} solver;
int GetId(int row, int col, int num) {
return (row - 1) * 9 * 9 + (col - 1) * 9 + num;
}
void Insert(int row, int col, int num) {
int dx = (row - 1) / 3 + 1; // r
int dy = (col - 1) / 3 + 1; // c
int room = (dx - 1) * 3 + dy; // room
int id = GetId(row, col, num);
int f1 = (row - 1) * 9 + num; // task 1
int f2 = 81 + (col - 1) * 9 + num; // task 2
int f3 = 81 * 2 + (room - 1) * 9 + num; // task 3
int f4 = 81 * 3 + (row - 1) * 9 + col; // task 4
solver.insert(id, f1);
solver.insert(id, f2);
solver.insert(id, f3);
solver.insert(id, f4);
}
using std::cin;
using std::cout;
int main() {
cin.tie(nullptr)->sync_with_stdio(false);
solver.build(729, 324);
for (int i = 1; i <= 9; ++i)
for (int j = 1; j <= 9; ++j) {
cin >> a[i][j];
for (int v = 1; v <= 9; ++v) {
if (a[i][j] && v != a[i][j]) continue;
Insert(i, j, v);
}
}
solver.dance(1);
cout << (ans == -oo ? -1 : ans);
return 0;
}
例题 3 「NOI2005」智慧珠游戏
解题思路
定义:题中给我们的智慧珠的形态,称为这个智慧珠的标准形态.
显然,我们可以通过改变两个参数 (表示顺时针旋转 的次数)和 (是否水平翻转)来改变这个智慧珠的形态.
仍然,我们先考虑决策是什么.
在这一题中,每一个决策可以用形如 的有序五元组表示.
表示第 个智慧珠的标准形态的左上角的位置,序号为 ,经过了 次顺时针转 .
巧合的是,我们可以令 时不水平翻转, 时水平翻转,从而达到简化代码的目的.
因此有 行.
需要注意的是,因为一些不合法的填充,如 ,
所以 在实际操作中,空的智慧珠棋盘也只需要建出 行.
再考虑状态是什么.
这一题的状态比较简单.
我们思考一下, 这个决策会造成什么影响.
- 某些格子被占了(用 列表示);
- 第 个智慧珠被用了(用 列表示).
因此有 列,共 个 .
至此,我们成功地将智慧珠游戏转化成了一个 有 行, 列,共 个 的精确覆盖问题.
参考代码
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <string>
int numcol, numrow;
int dfn[3000], tx[2], nxt[2], num[50][50], vis[50];
std::string ans[50];
constexpr int f[2] = {-1, 1};
constexpr int table[12][5][2] = {
// directions of shapes
{{0, 0}, {1, 0}, {0, 1}}, // A
{{0, 0}, {0, 1}, {0, 2}, {0, 3}}, // B
{{0, 0}, {1, 0}, {0, 1}, {0, 2}}, // C
{{0, 0}, {1, 0}, {0, 1}, {1, 1}}, // D
{{0, 0}, {1, 0}, {2, 0}, {2, 1}, {2, 2}}, // E
{{0, 0}, {0, 1}, {1, 1}, {0, 2}, {0, 3}}, // F
{{0, 0}, {1, 0}, {0, 1}, {0, 2}, {1, 2}}, // G
{{0, 0}, {1, 0}, {0, 1}, {1, 1}, {0, 2}}, // H
{{0, 0}, {0, 1}, {0, 2}, {1, 2}, {1, 3}}, // I
{{0, 0}, {-1, 1}, {0, 1}, {1, 1}, {0, 2}}, // J
{{0, 0}, {1, 0}, {1, 1}, {2, 1}, {2, 2}}, // K
{{0, 0}, {1, 0}, {0, 1}, {0, 2}, {0, 3}}, // L
};
constexpr int len[12] = {3, 4, 4, 4, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5};
constexpr int getx[] = {
0, 1, 2, 2, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 4, 5, 5, 5, 5, 5, 6,
6, 6, 6, 6, 6, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 8, 8, 8, 8, 8,
8, 8, 8, 9, 9, 9, 9, 9, 9, 9, 9, 9, 10, 10, 10, 10, 10,
10, 10, 10, 10, 10, 11, 11, 11, 11, 11, 11, 11, 11, 11, 11, 11, 12,
12, 12, 12, 12, 12, 12, 12, 12, 12, 12, 12, 13, 13, 13, 13, 13, 13,
13, 13, 13, 13, 13, 13, 13, 14, 14, 14, 14, 14, 14, 14, 14, 14};
constexpr int gety[] = {
0, 1, 1, 2, 1, 2, 3, 1, 2, 3, 4, 1, 2, 3, 4, 5, 1, 2, 3, 4, 5,
6, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 1, 2, 3, 4, 5,
6, 7, 8, 9, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,
8, 9, 10, 11, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 1, 2, 3, 4, 5,
6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
struct DLX {
static constexpr int MS = 1e5 + 10;
int n, m, tot, first[MS], siz[MS];
int L[MS], R[MS], U[MS], D[MS];
int col[MS], row[MS];
void build(const int &r, const int &c) {
n = r, m = c;
for (int i = 0; i <= c; ++i) {
L[i] = i - 1, R[i] = i + 1;
U[i] = D[i] = i;
}
L[0] = c, R[c] = 0, tot = c;
memset(first, 0, sizeof(first));
memset(siz, 0, sizeof(siz));
}
void insert(const int &r, const int &c) { // insert
col[++tot] = c, row[tot] = r, ++siz[c];
D[tot] = D[c], U[D[c]] = tot, U[tot] = c, D[c] = tot;
if (!first[r])
first[r] = L[tot] = R[tot] = tot;
else
R[tot] = R[first[r]], L[R[first[r]]] = tot, L[tot] = first[r],
R[first[r]] = tot; // !
}
void remove(const int &c) { // remove
int i, j;
L[R[c]] = L[c], R[L[c]] = R[c];
for (i = D[c]; i != c; i = D[i])
for (j = R[i]; j != i; j = R[j])
U[D[j]] = U[j], D[U[j]] = D[j], --siz[col[j]];
}
void recover(const int &c) { // recover
int i, j;
for (i = U[c]; i != c; i = U[i])
for (j = L[i]; j != i; j = L[j]) U[D[j]] = D[U[j]] = j, ++siz[col[j]];
L[R[c]] = R[L[c]] = c;
}
bool dance() { // dance
if (!R[0]) return true;
int i, j, c = R[0];
for (i = R[0]; i != 0; i = R[i])
if (siz[i] < siz[c]) c = i;
remove(c);
for (i = D[c]; i != c; i = D[i]) {
if (col[i] <= 55) ans[getx[col[i]]][gety[col[i]]] = dfn[row[i]] + 'A';
for (j = R[i]; j != i; j = R[j]) {
remove(col[j]);
if (col[j] <= 55) ans[getx[col[j]]][gety[col[j]]] = dfn[row[j]] + 'A';
}
if (dance()) return true;
for (j = L[i]; j != i; j = L[j]) recover(col[j]);
}
recover(c);
return false;
}
} solver;
using std::cin;
using std::cout;
int main() {
cin.tie(nullptr)->sync_with_stdio(false);
for (int i = 1; i <= 10; ++i) {
cin >> ans[i];
ans[i] = " " + ans[i];
}
for (int i = 1; i <= 10; ++i)
for (int j = 1; j <= i; ++j) {
if (ans[i][j] != '.') vis[ans[i][j] - 'A'] = 1;
num[i][j] = ++numcol;
}
solver.build(2730, numcol + 12);
/*******build*******/
for (int id = 0, op; id < 12; ++id) { // every block
for (++numcol, op = 0; op <= 1; ++op) {
for (int dx = 0; dx <= 1; ++dx) {
for (int dy = 0; dy <= 1; ++dy) {
for (tx[0] = 1; tx[0] <= 10; ++tx[0]) {
for (tx[1] = 1; tx[1] <= tx[0]; ++tx[1]) {
bool flag = true;
// Check if out of bound.
for (int k = 0; k < len[id]; ++k) {
nxt[op] = tx[op] + f[dx] * table[id][k][0];
nxt[op ^ 1] = tx[op ^ 1] + f[dy] * table[id][k][1];
if (nxt[1] < 1 || nxt[0] < nxt[1] || nxt[0] > 10) {
flag = false;
break;
}
}
if (!flag) continue;
// Check if illegal.
for (int k = 0; k < len[id]; ++k) {
nxt[op] = tx[op] + f[dx] * table[id][k][0];
nxt[op ^ 1] = tx[op ^ 1] + f[dy] * table[id][k][1];
if (vis[id]) {
if (ans[nxt[0]][nxt[1]] != id + 'A') {
flag = false;
break;
}
} else if (ans[nxt[0]][nxt[1]] != '.') {
flag = false;
break;
}
}
if (!flag) continue;
// Try to insert.
dfn[++numrow] = id;
solver.insert(numrow, numcol);
for (int k = 0; k < len[id]; ++k) {
nxt[op] = tx[op] + f[dx] * table[id][k][0];
nxt[op ^ 1] = tx[op ^ 1] + f[dy] * table[id][k][1];
solver.insert(numrow, num[nxt[0]][nxt[1]]);
}
}
}
}
}
}
}
/********end********/
if (!solver.dance())
cout << "No solution\n";
else
for (int i = 1; i <= 10; ++i, cout << '\n')
for (int j = 1; j <= i; ++j) cout << ans[i][j];
return 0;
}
习题
外部链接
注释
Footnotes
-
(两岸用语差异)台灣:直行(column)、橫列(row) ↩