2021年第十二届蓝桥杯软件类省赛python组“回路计算“问题

最近在准备蓝桥杯的比赛,于是做了历年的真题,碰到”回路计算“问题后,思考许久之后,才明白答案代码的含义。

问题如下:

蓝桥学院由21栋教学楼组成,教学楼编号1到21。对于两栋教学楼a和b,当a和b互质时,a和b之间有一条走廊直接相连,两个方向皆可通行,否则没有直接连接的走廊。

小蓝现在第一栋教学楼,他想要访问每栋教学楼正好一次,最终回到第一栋教学楼(即走一条哈密尔顿回路),请问他有多少种不同的访问方案?两个访问方案不同是指存在某个i,小蓝在两个访问方法中访问完教学楼i后访问了不同的教学楼。
 

答案代码如下:

from math import gcd
n = int(input())
m = 1 << n
dp = [[0 for j in range(n)] for i in range(m)]
load = [[False for j in range(n)] for i in range(n)] 
for i in range(1, n + 1):
    for j in range(1, n + 1):
        if gcd(i, j) == 1:
            load[i - 1][j - 1] = True
dp[1][0] = 1
for i in range(1, m): 
    for j in range(n):
        if i >> j & 1: 
            for k in range(n): 
                if i - (1 << j) >> k & 1 and load[k][j]:  
                    dp[i][j] += dp[i - (1 << j)][k]
print(sum(dp[m - 1]) - dp[m - 1][0])

现对该问题以及代码进行详细说明。

该问题的解法为”状态压缩DP“,在该问题中,一共有2的21次方种状态(从全为0到全为21个1),用二进制表示,例如00000000000000000001,每一位代表一栋教学楼,该位置上为1代表该教学楼已经遍历过,0代表该教学楼没有遍历过。

最终的目标为1111·····111(21个1),由于我们从第一栋教学楼出发的,因此初始首位就有一个1(初始状态,即第2种状态,000······0001)

可以知道,每一种状态对应一种遍历的中途过程。

dp[i][j]存储了第i+1个状态,并且该状态以第j+1栋教学楼为终止节点的方案数。对于某一种状态,由于遍历顺序的不同,因此终止节点可能不同。

dp[1][0]=1,该等式左边表示第2种状态(000······1),且该状态以第一栋教学楼为终止节点的方案数,并赋值为1.我们就是从第一栋教学楼出发的,这可以理解。

状态之间具有转化关系(这里是节点数相差为1的状态间的转化)。例如:000···111(dp[7])可能从000······110(dp[6])、000······101(dp[5])、000······011(dp[3])转化而来。可以看出是其中一个0变成了1.而转化过程与连通与否相关。因此要考虑转化前后状态的具体终止结点,二者互质才可连通。

于是,从dp[1]开始递推,最终得到dp[m-1](m为2的21次方),随谓dp[m-1],是一个列表,列表中的元素(数字)代表方案数,以不同教学楼为终止节点的方案数,111······111,该列表有21个元素。得到111······111该状态后,并不是最终结果,因为该状态只是表明所有教学楼都只走过一遍,但没有回到第一栋教学楼,由于1和任何数互质,因此无论以哪一栋教学楼为终止节点(只要不是第一栋教学楼),就能回到起点。

sum(dp[m - 1]) - dp[m - 1][0]即为最终答案。

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