C ++ та бібліотека від тривалості
Короткий зміст: Новий підхід, відсутність нових рішень , приємна програма, з якою грати, та кілька цікавих результатів локальної неістовірності відомих рішень. О, і кілька загально корисних спостережень.
Використовуючи
підхід, заснований на SAT , я міг повністю
вирішити
подібну проблему для лабіринтів 4x4 із заблокованими осередками замість тонких стінок та фіксованих позицій старту та виходу у протилежних кутах. Тож я сподівався, що зможу використовувати ті самі ідеї для цієї проблеми. Однак, хоча для іншої проблеми я використав лише 2423 лабіринти (тим часом було помічено, що 2083 вистачає), і вона має рішення довжиною 29, кодування SAT використовувало мільйони змінних, і на її вирішення пішло кілька днів.
Тому я вирішив змінити підхід двома важливими способами:
- Не наполягайте на пошуку рішення з нуля, але дозвольте зафіксувати частину рядка рішення. (Це легко зробити все одно, додавши одиничні пропозиції, але моя програма робить це зручно.)
- Не використовуйте всі лабіринти з самого початку. Натомість поступово додайте по черзі один невирішений лабіринт. Деякі лабіринти можуть бути вирішені випадково, або вони завжди вирішуються, коли вирішені вже розглянуті. В останньому випадку він ніколи не буде доданий, без того, щоб нам було потрібно знати наслідки.
Я також зробив деякі оптимізації для використання менших змінних та одиничних пропозицій.
Програма базується на @ orlp's. Важливою зміною став вибір лабіринтів:
- Перш за все, лабіринти задаються лише їхньою будовою стіни та вихідним положенням. (Вони також зберігають доступні позиції.) Функція
is_solution
перевіряє, чи досягнуто всіх доступних позицій.
- (Без змін: досі не використовуються лабіринти лише з 4 або менш доступними позиціями. Але більшість з них все одно будуть викинуті наступними спостереженнями.)
- Якщо в лабіринті не використовується жодна з трьох верхніх комірок, це рівносильно лабіринту, який зміщується вгору. Тож ми можемо її скинути. Так само і для лабіринту, який не використовує жодну з трьох лівих клітин.
- Не має значення, якщо з'єднані недоступні деталі, тому ми наполягаємо на тому, щоб кожна недосяжна клітина була повністю оточена стінами.
- Лабіринт з єдиним контуром, який є підматом більшого лабіринту одного шляху, завжди вирішується, коли вирішується більший, тому він нам не потрібен. Кожен лабіринт одного розміру не більше 7 є частиною більшого (як і раніше розміщений у 3х3), але є 8 лабіринтів з одиночним контуром, яких немає. Для спрощення давайте просто відкинемо лабіринти одного шляху розміром менше 8. (І я все ще використовую, що лише початкові позиції потрібно вважати вихідними положеннями. Усі позиції використовуються як вихідні позиції, що має значення лише для частини SAT програми.)
Таким чином я отримую в цілому 10772 лабіринти зі стартовими позиціями.
Ось програма:
#include <algorithm>
#include <array>
#include <bitset>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <set>
#include <vector>
#include <limits>
#include <cassert>
extern "C"{
#include "lglib.h"
}
// reusing a lot of @orlp's ideas and code
enum { N = -8, W = -2, E = 2, S = 8 };
static const int encoded_pos[] = {8, 10, 12, 16, 18, 20, 24, 26, 28};
static const int wall_idx[] = {9, 11, 12, 14, 16, 17, 19, 20, 22, 24, 25, 27};
static const int move_offsets[] = { N, E, S, W };
static const uint32_t toppos = 1ull << 8 | 1ull << 10 | 1ull << 12;
static const uint32_t leftpos = 1ull << 8 | 1ull << 16 | 1ull << 24;
static const int unencoded_pos[] = {0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,2,0,0,0,3,
0,4,0,5,0,0,0,6,0,7,0,8};
int do_move(uint32_t walls, int pos, int move) {
int idx = pos + move / 2;
return walls & (1ull << idx) ? pos + move : pos;
}
struct Maze {
uint32_t walls, reach;
int start;
Maze(uint32_t walls=0, uint32_t reach=0, int start=0):
walls(walls),reach(reach),start(start) {}
bool is_dummy() const {
return (walls==0);
}
std::size_t size() const{
return std::bitset<32>(reach).count();
}
std::size_t simplicity() const{ // how many potential walls aren't there?
return std::bitset<32>(walls).count();
}
};
bool cmp(const Maze& a, const Maze& b){
auto asz = a.size();
auto bsz = b.size();
if (asz>bsz) return true;
if (asz<bsz) return false;
return a.simplicity()<b.simplicity();
}
uint32_t reachable(uint32_t walls) {
static int fill[9];
uint32_t reached = 0;
uint32_t reached_relevant = 0;
for (int start : encoded_pos){
if ((1ull << start) & reached) continue;
uint32_t reached_component = (1ull << start);
fill[0]=start;
int count=1;
for(int i=0; i<count; ++i)
for(int m : move_offsets) {
int newpos = do_move(walls, fill[i], m);
if (reached_component & (1ull << newpos)) continue;
reached_component |= 1ull << newpos;
fill[count++] = newpos;
}
if (count>1){
if (reached_relevant)
return 0; // more than one nonsingular component
if (!(reached_component & toppos) || !(reached_component & leftpos))
return 0; // equivalent to shifted version
if (std::bitset<32>(reached_component).count() <= 4)
return 0;
reached_relevant = reached_component;
}
reached |= reached_component;
}
return reached_relevant;
}
void enterMazes(uint32_t walls, uint32_t reached, std::vector<Maze>& mazes){
int max_deg = 0;
uint32_t ends = 0;
for (int pos : encoded_pos)
if (reached & (1ull << pos)) {
int deg = 0;
for (int m : move_offsets) {
if (pos != do_move(walls, pos, m))
++deg;
}
if (deg == 1)
ends |= 1ull << pos;
max_deg = std::max(deg, max_deg);
}
uint32_t starts = reached;
if (max_deg == 2){
if (std::bitset<32>(reached).count() <= 7)
return; // small paths are redundant
starts = ends; // need only start at extremal points
}
for (int pos : encoded_pos)
if ( starts & (1ull << pos))
mazes.emplace_back(walls, reached, pos);
}
std::vector<Maze> gen_valid_mazes() {
std::vector<Maze> mazes;
for (int maze_id = 0; maze_id < (1 << 12); maze_id++) {
uint32_t walls = 0;
for (int i = 0; i < 12; ++i)
if (maze_id & (1 << i))
walls |= 1ull << wall_idx[i];
uint32_t reached=reachable(walls);
if (!reached) continue;
enterMazes(walls, reached, mazes);
}
std::sort(mazes.begin(),mazes.end(),cmp);
return mazes;
};
bool is_solution(const std::vector<int>& moves, Maze& maze) {
int pos = maze.start;
uint32_t reached = 1ull << pos;
for (auto move : moves) {
pos = do_move(maze.walls, pos, move);
reached |= 1ull << pos;
if (reached == maze.reach) return true;
}
return false;
}
std::vector<int> str_to_moves(std::string str) {
std::vector<int> moves;
for (auto c : str) {
switch (c) {
case 'N': moves.push_back(N); break;
case 'E': moves.push_back(E); break;
case 'S': moves.push_back(S); break;
case 'W': moves.push_back(W); break;
}
}
return moves;
}
Maze unsolved(const std::vector<int>& moves, std::vector<Maze>& mazes) {
int unsolved_count = 0;
Maze problem{};
for (Maze m : mazes)
if (!is_solution(moves, m))
if(!(unsolved_count++))
problem=m;
if (unsolved_count)
std::cout << "unsolved: " << unsolved_count << "\n";
return problem;
}
LGL * lgl;
constexpr int TRUELIT = std::numeric_limits<int>::max();
constexpr int FALSELIT = -TRUELIT;
int new_var(){
static int next_var = 1;
assert(next_var<TRUELIT);
return next_var++;
}
bool lit_is_true(int lit){
int abslit = lit>0 ? lit : -lit;
bool res = (abslit==TRUELIT) || (lglderef(lgl,abslit)>0);
return lit>0 ? res : !res;
}
void unsat(){
std::cout << "Unsatisfiable!\n";
std::exit(1);
}
void clause(const std::set<int>& lits){
if (lits.find(TRUELIT) != lits.end())
return;
for (int lit : lits)
if (lits.find(-lit) != lits.end())
return;
int found=0;
for (int lit : lits)
if (lit != FALSELIT){
lgladd(lgl, lit);
found=1;
}
lgladd(lgl, 0);
if (!found)
unsat();
}
void at_most_one(const std::set<int>& lits){
if (lits.size()<2)
return;
for(auto it1=lits.cbegin(); it1!=lits.cend(); ++it1){
auto it2=it1;
++it2;
for( ; it2!=lits.cend(); ++it2)
clause( {- *it1, - *it2} );
}
}
/* Usually, lit_op(lits,sgn) creates a new variable which it returns,
and adds clauses that ensure that the variable is equivalent to the
disjunction (if sgn==1) or the conjunction (if sgn==-1) of the literals
in lits. However, if this disjunction or conjunction is constant True
or False or simplifies to a single literal, that is returned without
creating a new variable and without adding clauses. */
int lit_op(std::set<int> lits, int sgn){
if (lits.find(sgn*TRUELIT) != lits.end())
return sgn*TRUELIT;
lits.erase(sgn*FALSELIT);
if (!lits.size())
return sgn*FALSELIT;
if (lits.size()==1)
return *lits.begin();
int res=new_var();
for(int lit : lits)
clause({sgn*res,-sgn*lit});
for(int lit : lits)
lgladd(lgl,sgn*lit);
lgladd(lgl,-sgn*res);
lgladd(lgl,0);
return res;
}
int lit_or(std::set<int> lits){
return lit_op(lits,1);
}
int lit_and(std::set<int> lits){
return lit_op(lits,-1);
}
using A4 = std::array<int,4>;
void add_maze_conditions(Maze m, std::vector<A4> dirs, int len){
int mp[9][2];
int rp[9];
for(int p=0; p<9; ++p)
if((1ull << encoded_pos[p]) & m.reach)
rp[p] = mp[p][0] = encoded_pos[p]==m.start ? TRUELIT : FALSELIT;
int t=0;
for(int i=0; i<len; ++i){
std::set<int> posn {};
for(int p=0; p<9; ++p){
int ep = encoded_pos[p];
if((1ull << ep) & m.reach){
std::set<int> reach_pos {};
for(int d=0; d<4; ++d){
int np = do_move(m.walls, ep, move_offsets[d]);
reach_pos.insert( lit_and({mp[unencoded_pos[np]][t],
dirs[i][d ^ ((np==ep)?0:2)] }));
}
int pl = lit_or(reach_pos);
mp[p][!t] = pl;
rp[p] = lit_or({rp[p], pl});
posn.insert(pl);
}
}
at_most_one(posn);
t=!t;
}
for(int p=0; p<9; ++p)
if((1ull << encoded_pos[p]) & m.reach)
clause({rp[p]});
}
void usage(char* argv0){
std::cout << "usage: " << argv0 <<
" <string>\n where <string> consists of 'N', 'E', 'S', 'W' and '*'.\n" ;
std::exit(2);
}
const std::string nesw{"NESW"};
int main(int argc, char** argv) {
if (argc!=2)
usage(argv[0]);
std::vector<Maze> mazes = gen_valid_mazes();
std::cout << "Mazes with start positions: " << mazes.size() << "\n" ;
lgl = lglinit();
int len = std::strlen(argv[1]);
std::cout << argv[1] << "\n with length " << len << "\n";
std::vector<A4> dirs;
for(int i=0; i<len; ++i){
switch(argv[1][i]){
case 'N':
dirs.emplace_back(A4{TRUELIT,FALSELIT,FALSELIT,FALSELIT});
break;
case 'E':
dirs.emplace_back(A4{FALSELIT,TRUELIT,FALSELIT,FALSELIT});
break;
case 'S':
dirs.emplace_back(A4{FALSELIT,FALSELIT,TRUELIT,FALSELIT});
break;
case 'W':
dirs.emplace_back(A4{FALSELIT,FALSELIT,FALSELIT,TRUELIT});
break;
case '*': {
dirs.emplace_back();
std::generate_n(dirs[i].begin(),4,new_var);
std::set<int> dirs_here { dirs[i].begin(), dirs[i].end() };
at_most_one(dirs_here);
clause(dirs_here);
for(int l : dirs_here)
lglfreeze(lgl,l);
break;
}
default:
usage(argv[0]);
}
}
int maze_nr=0;
for(;;) {
std::cout << "Solving...\n";
int res=lglsat(lgl);
if(res==LGL_UNSATISFIABLE)
unsat();
assert(res==LGL_SATISFIABLE);
std::string sol(len,' ');
for(int i=0; i<len; ++i)
for(int d=0; d<4; ++d)
if (lit_is_true(dirs[i][d])){
sol[i]=nesw[d];
break;
}
std::cout << sol << "\n";
Maze m=unsolved(str_to_moves(sol),mazes);
if (m.is_dummy()){
std::cout << "That solves all!\n";
return 0;
}
std::cout << "Adding maze " << ++maze_nr << ": " <<
m.walls << "/" << m.start <<
" (" << m.size() << "/" << 12-m.simplicity() << ")\n";
add_maze_conditions(m,dirs,len);
}
}
По- перше , configure.sh
і решателя, а потім скомпілювати програму з чим - то начебто
, де є шлях , де відповідно. є, так можуть бути, наприклад, обидва
. Або просто помістіть їх в один і той же каталог і обійтися без параметрів і .make
lingeling
g++ -std=c++11 -O3 -I ... -o m3sat m3sat.cc -L ... -llgl
...
lglib.h
liblgl.a
../lingeling-<version>
-I
-L
Програма приймає один обов'язковий аргумент командного рядка, рядок , що складається з N
, E
, S
, W
(для фіксованих напрямків) або *
. Таким чином, ви можете шукати загальне рішення розміром 78, давши рядок розміром 78 *
с (у лапках) або шукати рішення, починаючи з NEWS
використання NEWS
наступного стільки *
s, скільки вам потрібно для додаткових кроків. В якості першого тесту візьміть улюблене рішення і замініть деякі букви *
. Це швидко знаходить рішення для напрочуд високого значення "деяких".
Програма розповість, який лабіринт додає, описана структурою стіни та початковою позицією, а також дасть кількість доступних позицій та стін. Лабіринти сортуються за цими критеріями, і додається перший невирішений. Тому більшість доданих лабіринтів є (9/4)
, але іноді з'являються і інші.
Я взяв відоме рішення довжиною 79, і для кожної групи сусідніх 26 літер спробував замінити їх будь-якими 25 літерами. Я також намагався видалити 13 букв на початку та в кінці, і замінив їх будь-якими 13 на початку та будь-якими 12 в кінці, і навпаки. На жаль, все вийшло незадовільно. Отже, чи можемо ми вважати це показником того, що довжина 79 оптимальна? Ні, я аналогічно намагався поліпшити рішення довжиною 80 до довжини 79, і це також не було успішним.
Нарешті, я спробував поєднати початок одного рішення з кінцем іншого, а також з одним рішенням, трансформованим однією із симетрій. Зараз мені не вистачає цікавих ідей, тому я вирішив показати вам, що я маю, хоча це не призвело до нових рішень.