POJ 1185 炮兵阵地(想半天没有想通,转一个解释)

炮兵阵地

Time Limit: 2000MS   Memory Limit: 65536K
Total Submissions: 2762   Accepted: 776

Description

司令部的将军们打算在N*M的网格地图上部署他们的炮兵部队。一个N*M的地图由N行M列组成,地图的每一格可能是山地(用"H" 表示),也可能是平原(用"P"表示),如下图。在每一格平原地形上最多可以布置一支炮兵部队(山地上不能够部署炮兵部队);一支炮兵部队在地图上的攻击范围如图中黑色区域所示: 
POJ 1185 炮兵阵地(想半天没有想通,转一个解释)_第1张图片
如果在地图中的灰色所标识的平原上部署一支炮兵部队,则图中的黑色的网格表示它能够攻击到的区域:沿横向左右各两格,沿纵向上下各两格。图上其它白色网格均攻击不到。从图上可见炮兵的攻击范围不受地形的影响。 
现在,将军们规划如何部署炮兵部队,在防止误伤的前提下(保证任何两支炮兵部队之间不能互相攻击,即任何一支炮兵部队都不在其他支炮兵部队的攻击范围内),在整个地图区域内最多能够摆放多少我军的炮兵部队。

Input

第一行包含两个由空格分割开的正整数,分别表示N和M; 
接下来的N行,每一行含有连续的M个字符('P'或者'H'),中间没有空格。按顺序表示地图中每一行的数据。N <= 100;M <= 10。

Output

仅一行,包含一个整数K,表示最多能摆放的炮兵部队的数量。

Sample Input

5 4
PHPP
PPHH
PPPP
PHPP
PHHP

Sample Output

6

Source

Noi 01

分析一 盲目搜索

    初学者一般看到此题估计会无从着手。如果用“万能”的搜索算法,回溯或者枚举所有的状态来求解的话,那算法复杂度将是O(2^(m*n))。
    又考虑到m<=10,n<=100,这将是个及其恐怖的工作。
    大家知道凡是指数级的算法一般不能作用于较大数据的运算。

  分析二 动态规划

    观察地图,对于任何一行的炮兵放置都与其上下几行的放置有关。如果我们逐行的放置炮兵,并且每次都知道前面每行所有放置法的最优解(即最大炮兵数),那么我们要求放置到当行时某种放置法的最优解,就可以枚举前面与其兼容(即不会发生冲突)的所有放置法,从中求得本行的最优解。
    那么就可以把N*M行的最优解装换成了(N-1)*M行的最优解。此算法的基础在于,每行的状态(炮兵放置情况)只与前几行的状态有关。
    这满足最优子问题和无后效性的性质,因此可以使用动态规划求解。
    最优子问题大家都知道。无后效性就是指最优解只与状态有关,而与到达这种状态的路径无关。
    此问题的状态就是指该行的炮兵放置法

动态方程

    f[i][j][k] = max{f[i-1][k][p]+c[j]},(枚举p的每种状态) 
    f[i][j][k]表示第i行状态为s[j],第i-1行状态为s[k]的最大炮兵数,且s[j],s[k],s[p]及地形之间互不冲突
    算法复杂度:O(N*S*S*S),N为行数,S为总状态数

问题如何描述

    好了,思路大致都准备好了。但如何描述问题呢?
    动态规划的关键就在于如何描述状态。如何用二进制串表示状态的话,那么在代码中表示起来将很复杂,不利于编写代码。
    怎么办?

状态压缩

    现在引入最关键的感念,状态压缩
    我们把一个二进制串的相应十进制数称为该二进制串的压缩码,这就将一个二进制串压缩为一个简单的十进制状态。
    伴随着这个概念而来的是其相应的位运算,&, |, !,<<, >>等。

相关运算

    我们现在就可以用与运算&判断两个压缩状态间、压缩状态与压缩地图间是否冲突。
    用移位运算>>和求余运算%计算压缩状态所包含的炮兵数

困惑?

    现在似乎大功告成了,但是所写的代码提交运行结果为,Time Limit Exceed,即超时。
    为什么呢?

复杂度解析

    看看题目条件吧!Time Limit: 2000MS    Memory Limit:65536K 
    我们采用压缩二进制方式来表示一行的所有状态,那么会有每行会有2^10即1024个状态。因此在最坏情况下(M=10,N=100,所有地点都是平原),会将扫描100*1024*1024*1024(10^11,远远超过2S),因此不可取。
    O(N*S*S*S)不可取么?

算法加速

    不!
    仔细分析,状态数S真的是2^10么?
    显然,有些是伪状态,自身就是个矛盾体。那么可以提前摒弃这些伪状态。记过计算,单独一行(10列)的合法状态数只有60个!!

求合法状态的代码段

    sNum = 0; //合法状态总数 
    for ( int k = 0; k < (1<<column); k++ ){
        int m = k;
        //判断该状态是否合法
        if ( ( (m<<1)&k ) || ( (m<<2)&k ) ) 
             continue; 
        //该合法状态数包含的炮兵数
        c[sNum] = m%2;   
        while ( m = (m>>1) ) c[sNum] += m%2;
        s[sNum++] = k;   //合法状态数
    }

优化

    考虑到本行最优解f[i][j][k]只与前一行f[i-1][k][p]有关,也就是说每次计算只需要前一行的最优解就可以了。
    那只用申请f[2][61][61]的内存,就可以实现该算法,而非f[100][61][61],更非f[100][1025][1025]。
    可是,如果用向量f[0]表示当前行的最优解,向量f[1]表示前一行的最优解,那每次迭代计算时岂不是又要交换两个向量的值?

滚动数组

    借助滚动数组技术,可以轻松实现这个转换!
    引入迭代坐标roll,向量f[roll]指向当前行,计算f[roll]时,f[(roll+1)%2]指向前一行,计算结束后,令roll = (roll+1)%2,就可以实现行转换了。
    我们只要初始roll = 0即可,运算结束时,我们不必知道roll的值,但roll必然指向待计算的那行,(roll+1)%2指向最终结果所在行。

运行结果

Problem: 1185      User: new_star 
Memory: 316K     Time: 235MS 
Language: G++     Result: Accepted

小结

    1.最优子结构和无后效性
    2.压缩状态的动态规划
    3.位运算
    4.滚动数组

实现了一个暂时没有用滚动数组的代码:

#include<stdio.h>
#include<memory.h>
#include<algorithm>

#define MAX_ROW 110
#define MAX_STATUS 70

using namespace std;

int g_Hilly[MAX_ROW];
int g_DP[MAX_ROW][MAX_STATUS][MAX_STATUS];
int g_LegalStatus[MAX_STATUS];
int g_nGunForStatus[MAX_STATUS];

bool StatusTestForRow(int nStatus)
{
	return !( ((nStatus << 2) & nStatus) || ((nStatus << 1) & nStatus) );
}

int GetAllLegalStatus(int nCol)
{
	int i;
	int iLegalStatus = 0;
	int k, nGun;
	for( i = 0 ; i < (0x1 << nCol); i++)
	{
		if(StatusTestForRow(i))
		{
			k = i;
			nGun = 0;
			while(k)
			{
				k = k & (k-1);
				nGun++;
			}
			++iLegalStatus;
			g_nGunForStatus[iLegalStatus] = nGun;
			g_LegalStatus[iLegalStatus] = i;

			
		}
	}
	return iLegalStatus;
}
//test the cannons with the geographic and itself
bool TestIsLegalStatus(int nStatus, int iRow)
{
	return (!(nStatus & g_Hilly[iRow]));
}
bool CompatableTest(int nStatusA, int nStatusB)
{
	return !(nStatusA & nStatusB);
}
bool CompatableTest( int nStatusA, int nStatuB, int nStatusC)
{
	return CompatableTest(nStatusA, nStatuB) && CompatableTest(nStatusA, nStatusC) && CompatableTest(nStatuB, nStatusC);
}
int main()
{
	int i,j,k,m;

	int nRow, nCol;
	char c;
	int nStatusAccount;
	while(scanf("%d%d", &nRow, &nCol) != EOF)
	{
		if(nRow == 0 && nCol == 0)
			break;

		nStatusAccount = GetAllLegalStatus(nCol);

		memset(g_DP, -1, sizeof(g_DP));
		for( i = 1; i <= nRow; i++)
		{
			getchar();
			int hilly = 0;
			for( j = 0; j < nCol; j++)
			{
				hilly <<= 1;
				c = getchar();
				if( c == 'H')
				{
					hilly += 1;
				}
			}
			g_Hilly[i] = hilly;
		}
		
		for( j = 1; j <= nStatusAccount; j++)
		{
			if(TestIsLegalStatus(g_LegalStatus[j], 1))
			{
				g_DP[1][1][j] = g_nGunForStatus[j];

			}
		}

	
		for( i = 2; i <= nRow; i++)
		{
			for( j = 1; j <= nStatusAccount; j++) //test for line i
			{
				if(TestIsLegalStatus(g_LegalStatus[j], i))
				{
					for( k = 1; k <= nStatusAccount; k++) //test for line i-1
					{
						if(CompatableTest(g_LegalStatus[j], g_LegalStatus[k]))
						{

							for(m = 1; m <= nStatusAccount; m++) //test for line i-2
							{
								if( g_DP[i-1][m][k] != -1 
									
									&& CompatableTest(g_LegalStatus[j], g_LegalStatus[m], g_LegalStatus[k]))
								{
									g_DP[i][k][j] = max((g_DP[i-1][m][k] + g_nGunForStatus[j]), g_DP[i][k][j] );
								}
							}
						}
						
					}
				}

			}
		}

		int maxPlacement = 0;
		for( i = 1; i <= nRow; i++)
		{
			for( j = 1; j <= nStatusAccount; j++)
			{
				for( k = 1; k <= nStatusAccount; k++)
				{
					maxPlacement = max(maxPlacement, g_DP[i][k][j]);

				}

			}
		}
		printf("%d\n", maxPlacement);
	}
}

纠结:判断三个时候冲突那段代码我debug了一个上午,最后发现居然位运算理解错了,

s1, s2, s3

我弄成 if(s1 & s2 & s3) return false

可是呢,其实只要有任意两个 与运算的值非 0,就应该 return false;

 

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