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。