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Lights Out游戏的高斯消元法
2009-06-30 12:12
这个游戏的名字叫做Lights Out。一个板子上面有MxN个按钮,按钮也是灯。每次按下一个按钮,这个按钮和它的上下左右相邻按钮将同时切换各自的亮灭状态。给你一个初始状态,请给出一种方法,按某些按钮,使得所有的灯都灭。

这个游戏有一些技巧:
1、按按钮的顺序可以随便。
2、任何一个按钮都最多需要按下1次。因为按下第二次刚好抵消第一次,等于没有按。

这个问题可以转化成数学问题。
一个灯的布局可以看成一个0、1矩阵。以3x3为例:
0 1 0
1 1 0
0 1 1
表示一个布局。其中0表示灯灭,1表示灯亮。
每次按下按钮(POJ1222)或者叫一个宿舍关灯(0998),可以看成在原矩阵上加(模2加,就是按位异或)上一个如下的矩阵:
0 1 0
1 1 1
0 1 0
上述矩阵中的1表示按下第2行第2列的按钮时,作用的范围。如果按左上角的按钮,就是:
1 1 0
1 0 0
0 0 0

我们记L为待求解的原始布局矩阵。A(i,j)表示按下第i行第j列的按钮时的作用范围矩阵。在上述例子中,
L=
0 1 0
1 1 0
0 1 1

A(1,1)=
1 1 0
1 0 0
0 0 0

A(2,2)=
0 1 0
1 1 1
0 1 0

假设x(i,j)表示:想要使得L回到全灭状态,第i行第j列的按钮是否需要按下。0表示不按,1表示按下。那么,这个游戏就转化为如下方程的求解:
L + x(1,1)*A(1,1) + x(1,2)*A(1,2) + x(1,3)*A(2,3) + x(2,1)*A(2,1) + ... + x(3,3)*A(3,3) = 0

其中x(i,j)是未知数。方程右边的0表示零矩阵,表示全灭的状态。直观的理解就是:原来的L状态,经过了若干个A(i,j)的变换,最终变成0:全灭状态。
由于是0、1矩阵,上述方程也可以写成:
x(1,1)*A(1,1) + x(1,2)*A(1,2) + x(1,3)*A(2,3) + x(2,1)*A(2,1) + ... + x(3,3)*A(3,3) = L

这是一个矩阵方程。两个矩阵相等,充要条件是矩阵中每个元素都相等。将上述方程展开,便转化成了一个9元1次方程组:


简单地记做:AA * XX = LL

这个方程有唯一解:
x(1,1) x(1,2) x(1,3)
x(2,1) x(2,2) x(2,3)
x(3,1) x(3,2) x(3,3)
=
1 1 1
0 0 0
0 0 1

也就是说,按下第一行的3个按钮,和右下角的按钮,就能使L状态变成全灭状态。

对于固定行列的阵列来说,AA矩阵也是确定的。是否存在解,解是否唯一,只与AA矩阵有关。对于唯一解的情形,只要将LL乘以AA的逆矩阵即可。具体求AA的逆矩阵的方法,可以用高斯消元法。

类别:计算机算法分析||添加到搜藏 |分享到i贴吧|浏览(534)|评论 (0)
 
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