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”十步万度“穷举求解器

Primary LanguageC++MIT LicenseMIT

ShiBuWanDu

”十步万度“穷举求解器
如果不知道什么是“十步万度”,随便搜一下就知道了。

新增:凸优化求上界!
使用凸松弛求解上界,可以得到还算不错的上界。
大致思路:设每个表盘转动了x次,可以得到很多有关x的方程,每个方程都是线性的,因此是个线性规划问题。
求解得到的解通常不是整数,因此不是严谨求解,只能给出上界。
cvx_singlemove.m 求解单步最大步数(初始状态任意)。
cvx_multimove.m 求解多步最大步数(初始状态全都朝上)。
需要使用matlab,需要安装cvx(凸优化库,搜一下,很容易安装)。
例子:
h=5,w=6,N=15(高,宽,步数),穷举得到的最优解是192,凸优化得到的是244.54
h=5,w=6,点击一次最大步数,穷举得到的最优解是129,凸优化得到的是147.66

使用说明

长宽和步数还有初始盘面和表盘空缺处都在代码里直接设置,设置好之后编译

有严格求解main_strictSolve()和模糊求解main_fuzzySolve()的功能 模糊求解是强制某个点点击很多次,剩下几步穷举。 int finalMoves =9是最后穷举几步,前面的步骤都是点击同一个点。

打开程序后会提示输入两个数字。如果问题规模较小,直接输入两个0。两个0表示完整搜索。
如果任务量很大需要开多个窗口并行,才需要考虑那两个数字。具体说明如下

输入的两个数字表示第一步的搜索范围,左闭右开。
比如输入0 10,代表第一步从0搜到9。如果第二个数字是0,代表搜到最后一个。
问题规模较大时,可以手动“多线程”,开几个窗口手动分配工作量。
例:H=6 W=5 MOVE=15,可以开4个窗口,分别输入"0 1"、"1 2"、"2 4"、"4 30"(或者"4 0",0会被自动转化为30)。
这样四个窗口的任务量比较接近,四个窗口两个小时内都能解决。最后会保存文本文件,看一下哪个最多。

最后输入一个yes或者no,yes使用代码里的初始表盘位置,no假设所有位置都有表盘且都朝上。

TODO 可以写一个智能一点的多线程,现在这个太笨蛋了

原理

“十步万度”的步骤任意交换后结果不变,因此最终结果只取决于每个表盘点了多少次。 为什么不变呢?并不显然,而且很反直觉,严谨证明应该也不是一两句话的事。如果谁有特别巧妙的严谨证明可以跟我说一下,比如发个issue或者pull request或者直接加我qq 2658628026。

写程序时,可以要求编号小的表盘一定先点,也就是后一个表盘的编号不得小于前一个表盘,这样一个很简单的递归就搞定了。

这是个典型的高中经常讲的“有放回的抓取问题”。
假如有30个表盘,点击15次,那么路线总数为:C(15,30+15-1) = C(15,44) = 44!/15!/29! = 229911617056 = 2.3e11 = 2299亿
2299亿个情况,家用机很快就能解决。我自己的电脑每个线程每秒穷举15M(1500万)个情况,开了4个窗口,不超过2小时。

讨论

感觉“可交换”是个非常神奇的性质,我怀疑这个东西背后有一些更本质的东西,但是我数学水平太差,也没学过群论之类的。期待某个数学大佬来研究一下这个问题。

这个问题的一些变形也无法用这种方法,还有待研究。比如,如何找到一个初始局面,使得点一次转的步数最多?

一些其他的发现:对于4x4的盘面,持续点击几乎任何一个点(我只是挑了几个试了一下,都是6600),都是6600次回到初态。对于任意大小的盘面都有这个性质吗?对于H乘W的盘面又是多少次?
容易证明,点击后的局面,在走过的路径上一定没有“环”。有多少局面是无环的?任意一个无环的初始状态,点击一个点足够多次都可以回到初态吗?

4x4有557568000个局面无环,这个数字也是6600的倍数。感觉应该是某种“群”

注:点击多少次可以回到初始状态的问题已经解决
设邻接矩阵是A,设每个表盘转了x[i]次,设每个表盘点击了b[i]次。若回到初态,则满足x=b+Ax/4且b为整数且x的每一项均为4的倍数。因此可以求(4I-A)的逆,取每一项的分母,按行求最大公倍数。点击次数是最大公倍数。

其他

以前我做过的一些同类型的问题:
单人跳棋:最少27步,状态数26亿 https://github.com/hzyhhzy/tiaoqimeiju
浅塘:最多51步,状态数(所有可能的“关卡”)270亿,如果把出口位置挪到第二行则存在一个64步的局面 https://github.com/hzyhhzy/QianTangSolver