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            We do not always find visible happiness in proportion to visible virtue

            夢幻白樺林

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            題目:

            有十個開關等間距排成一線,每個開關對應其上方的一盞燈(十盞燈也排成一線)。每按動一下開關,可以使對應的燈改變狀態(原來亮著的將熄滅,原來熄滅的將被點亮)。
            但是,由于開關之間的距離很小,每次按動開關時,相鄰的一個開關也將被按動。例如:按動第5個開關,則實際上第4、5、6個開關都被按動。而按動靠邊的第1個開關時,第1、2個開關都被按動。并且,無法只按動最靠邊的一個開關。
            現在給出十盞燈的初始的狀態和目標狀態,要求計算:從初始狀態改變到目標狀態所需要的最少操作次數。
            函數接口:
            int MinChange(const int Start[],const int End[]);
            其中:Start表示了初始狀態,End表示了目標狀態。表示狀態的數組(Start和End)中,若某元素為0表示對應的燈亮著,否則表示對應的燈沒有亮。調用函數時保證Start和End數組長度均為10,并保證有解。

            看了很多人的解法都是用循環遍歷來判斷是否達到最后要求,但是如果和線形代數結合的話,就有一種很快速的解法。

            約定:以下所用的‘+’號都是‘異或’的運算。
            先簡化一下,假設有四個燈,初始狀態s0~s3,目標狀態是e0~e3,轉換一次狀態就是和1進行異或運算一次,所以狀態轉移矩陣為:
            (s0,s1,s2,s3)+k0*(1,1,0,0)+k1*(1,1,1,0)+k2*(0,1,1,1)+k3*(0,0,1,1)=(e0,e1,e2,e3);
            其中k(n)表示第n個開關所翻動的次數。并且,注意異或運算中a+b+b=a,所以,某個開關翻動偶數次的效果相當于沒有翻動,翻動奇數次的效果相當于翻動一次;又由于異或運算滿足交換律,所以翻動的順序沒有影響。綜上每個開關翻動的次數只有1次或0次就足夠了。

            設m(n)=s(n)+e(n),注意異或運算中的'-'也就是'+',所以解線性方程組:
            k0+k1      =m1;
            k0+k1+k2   =m2;
               k1+k2+k3=m3;
                  k2+k3=m4;
            假設解存在,就可以算出通解(k0,k1,k2,k3),再統計出通解中1的個數,就是所需要翻動的次數了。并且還可以知道哪些開關需要撥動,比如算出解是(1,0,1,0)就是第0和2個開關需要撥動一次。

            因此針對本題目的10個燈泡,本人已算出這10元線性方程組的通解:
            k0=m0+m2+m3+m5+m6+m8+m9;
            k1=m2+m3+m5+m6+m8+m9;
            k2=m0+m1;
            k3=m3+m0+m1+m5+m6+m8+m9;
            k4=m5+m6+m8+m9;
            k5=m4+m3+m0+m1;
            k6=m6+m4+m3+m0+m1+m8+m9;
            k7=m8+m9;
            k8=m7+m6+m4+m3+m0+m1;
            k9=m9+m7+m6+m4+m3+m0+m1;

            和上面一樣,m(n)為開始狀態與目標狀態的每位異或。至于是否存在解,本人已將次系數矩陣化簡為對角矩陣,可以看到系數矩陣的秩(Rank)與未知數的個數相等,所以無論是任何的輸入和輸出變換都能找到唯一解。

            本人程序如下:
            int MinChange(const int Start[],const int End[]){
                int m[10];
                int k[10];
                int res=0;
                int i,j,n;
                for(i=0;i<10;i++){
                        m[i]=Start[i]^End[i];  /* m[]=Start[] XOR End[] */
                    }
                /* calculate roots */
                k[0]=m[0]^m[2]^m[3]^m[5]^m[6]^m[8]^m[9];
                k[1]=m[2]^m[3]^m[5]^m[6]^m[8]^m[9];
                k[2]=m[0]^m[1];
                k[3]=m[3]^m[0]^m[1]^m[5]^m[6]^m[8]^m[9];
                k[4]=m[5]^m[6]^m[8]^m[9];
                k[5]=m[4]^m[3]^m[0]^m[1];
                k[6]=m[6]^m[4]^m[3]^m[0]^m[1]^m[8]^m[9];
                k[7]=m[8]^m[9];
                k[8]=m[7]^m[6]^m[4]^m[3]^m[0]^m[1];
                k[9]=m[9]^m[7]^m[6]^m[4]^m[3]^m[0]^m[1];
                /* count for switch times */
                for(j=0;j<10;j++){
                    if(k[j]) res++;
                    }
                /* display k(n); */
                for(n=0;n<10;n++) printf("%d,",k[n]);
                return res;
            }

            測試主程序:
            main(){
                int A[10]={1,1,1,0,0,1,0,1,1,0};
                int B[10]={0,0,1,1,0,0,1,1,1,1};
                int C;
                C=MinChange(A,B);
                printf("**%d**",C);
            }
            顯示結果為:
            1,0,0,0,1,1,1,1,0,1,**6**
            就是如果要把狀態A轉為狀態B,需要把第0,4,5,6,7,9號開關翻動一次,共6次。
            測試驗證結果正確:)

            當然,此做法也有一個缺點,就是當燈的個數改變時,就要重新設定線形方程組的特解形式。


            posted on 2007-04-22 10:02 colys 閱讀(364) 評論(1)  編輯 收藏 引用

            Feedback

            # re: 數學與程序的結合——一道游戲題目的快速解法 2007-04-26 20:34 zhu
            好復雜的算法  回復  更多評論
              

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