[动态规划+高精度] 矩阵取数游戏

矩阵取数游戏策略
针对NOIP2007年提高组题目,介绍了一个矩阵取数游戏的最大得分算法实现细节。游戏目标是从矩阵中按特定规则取数以获得最高得分。
 
From Admin
矩阵取数游戏
 
   
  
  背景 Background 
 NOIP2007年提高组第三道
   
   
  描述 Description 
   帅帅经常跟同学玩一个矩阵取数游戏:对于一个给定的n*m的矩阵,矩阵中的每个元素aij均为非负整数。游戏规则如下:
1. 每次取数时须从每行各取走一个元素,共n个。m次后取完矩阵所有元素;
2. 每次取走的各个元素只能是该元素所在行的行首或行尾;
3. 每次取数都有一个得分值,为每行取数的得分之和,每行取数的得分 = 被取走的元素值*2^i,其中i表示第i次取数(从1开始编号);
4. 游戏结束总得分为m次取数得分之和。
帅帅想请你帮忙写一个程序,对于任意矩阵,可以求出取数后的最大得分。
   
   
 输入格式 Input Format 
   输入文件game.in包括n+1行:
  第1行为两个用空格隔开的整数n和m。
  第2~n+1行为n*m矩阵,其中每行有m个用单个空格隔开的非负整数。
   
   
  输出格式 Output Format 
   输出文件game.out仅包含1行,为一个整数,即输入矩阵取数后的最大得分。
   
   
  样例输入 Sample Input [复制数据] 
 
   
   
  样例输出 Sample Output [复制数据] 
 
   
   
  时间限制 Time Limitation 
 各个测试点1s
由于服务器配置原因,不得不修改部分测试点的时间限制,请大家使用高精度并且压8位,否则过不了!
   

 

 

 

 

注释 Hint

 

 

【输入输出样例1解释】
第1次:第1行取行首元素,第2行取行尾元素,本次得分为1*2^1+2*2^1=6
第2次:两行均取行首元素,本次得分为2*2^2+3*2^2=20
第3次:得分为3*2^3+4*2^3=56。总得分为6+20+56=82
【限制】
  60%的数据满足:1<=n, m<=30, 答案不超过10^16
  100%的数据满足:1<=n, m<=80, 0<=aij<=1000

 

由于各行是独立的,所以可以分开来计算.

f[i,j]表示前i次取数左边取了j次的最大得分。

决策就是第i次是取左边的数或者取右边的数。

p[i]表示2^i。

f[i,j]:=max(f[i-1,j-1]+a[j]*p[i],f[i-1,j]+a[m-i+j+1]*p[i]);

 

由于a[i]最大可以达到1000,而m最大为80。

显然我们要用高精度运算来计算f[i,j]

这种方程写法必须用高精度乘法与加法。

若换一种写法则只需用高精加法,大家可以自行google。代码很长。。。。顺带复习了一下高精度乘法压4位。

 

 

type rr=array[1..1000]of longint;

var i,j,k,n,m,ans,s:longint;
    f:array[0..80,-1..80]of ansistring;
    p,ak:array[1..80]of ansistring;
    a:array[1..80]of longint;
    a1,b1,c1: rr;
    tot:ansistring;

procedure work(a:ansistring; var c:rr);
var i,j,s:longint;
    st:ansistring;
begin
    i:=length(a);
    if i mod 4 =0 then s:=i div 4 else s:=i div 4+1 ;
    while i>=4 do
    begin
        st:=copy(a,i-3,4);
        val(st,c[s]);
        i:=i-4;
        s:=s-1;
    end;
    if i>0 then begin
                     st:=copy(a,1,i);
                     val(st,c[1]);
                 end;
end;

procedure insert(var cc:ansistring;p:longint);
var ss:ansistring;
begin
    str(p,ss);
    cc:=cc+ss;
end;

function multi(a,b:ansistring):ansistring;
var len1,len2,i,j,s1,s2:longint;
    flag:boolean;
    cc,pp:ansistring;

begin
    fillchar(c1,sizeof(c1),0);
    fillchar(a1,sizeof(a1),0);
    fillchar(b1,sizeof(b1),0);
    len1:=length(a);len2:=length(b);
    if len1 mod 4 =0 then len1:=len1 div 4 else len1:=len1 div 4 +1;
    if len2 mod 4 =0 then len2:=len2 div 4 else len2:=len2 div 4 +1;
    work(a,a1);work(b,b1);
    
    for i:=len1 downto 1 do
    for j:=len2 downto 1 do
    begin
        c1[i+j-1]:=c1[i+j-1]+a1[i]*b1[j];
        c1[i+j-2]:=c1[i+j-2]+(c1[i+j-1] div 10000);
        c1[i+j-1]:=c1[i+j-1] mod 10000;
    end;
    cc:='';
    if c1[0]<>0 then insert(cc,c1[0]);
    if c1[0]=0 then insert(cc,c1[1]) else begin
    if c1[1]<10 then  cc:=cc+'000'
    else if c1[1]<100 then cc:=cc+'00'
    else if c1[1]<1000 then cc:=cc+'0';
    insert(cc,c1[1]);                      end;
    for i:=2 to len1+len2-1 do
    begin
        if c1[i]<10 then  cc:=cc+'000'
        else if c1[i]<100 then cc:=cc+'00'
        else if c1[i]<1000 then cc:=cc+'0';
        insert(cc,c1[i]);
    end;
    exit(cc);
end;

function add(a,b:ansistring):ansistring;
var i,j,len1,len2:longint;
    a1,b1,c1:array[0..1000]of longint;
    c:ansistring;
begin
    fillchar(a1,sizeof(a1),0);
    fillchar(b1,sizeof(b1),0);
    fillchar(c1,sizeof(c1),0);
    len1:=length(a);len2:=length(b);
    while len1<len2 do
    begin
        a:='0'+a;
        inc(len1);
    end;
    while len2<len1 do
    begin
        b:='0'+b;
        inc(len2);
    end;
    for i:=1 to len1 do a1[i]:=ord(a[i])-48;
    for i:=1 to len2 do b1[i]:=ord(b[i])-48;
    for i:=len1 downto 1 do
    begin

        c1[i-1]:=(c1[i]+a1[i]+b1[i])div 10;
        c1[i]:=(c1[i]+a1[i]+b1[i])mod 10;
    end;
    c:='';
    if c1[0]<>0 then c:=c+chr(c1[0]+48);
    for i:=1 to len1 do c:=c+chr(c1[i]+48);
    exit(c);
end;


procedure init;
var i:longint;
    kk:ansistring;
begin
    kk:='1';
    for i:=1 to m do
    begin
        kk:=multi(kk,'2');
        p[i]:=kk;
    end;
end;

function max(a,b:ansistring):ansistring;
var i:longint;
begin
 if length(a)>length(b) then exit(a);
 if length(a)=length(b) then
 begin
     for i:=1 to length(a) do
     begin
         if a[i]>b[i] then exit(a);
         if a[i]<b[i] then exit(b);
     end;
 end;
 exit(b);
end;

procedure dp;
var i,j:longint;
    max1:ansistring;
begin
    max1:='0';
    fillchar(f,sizeof(f),0);
    for i:=1 to m do
    for j:=0 to i do
    f[i,j]:=max(add(f[i-1,j-1],multi(ak[j],p[i])),add(f[i-1,j],multi(ak[m-i+j+1],p[i])));
    for i:=0 to m do
    max1:=max(max1,f[m,i]);
    tot:=add(max1,tot);
end;


begin
    readln(n,m);tot:='0';init;
    for k:=1 to n do
    begin
        for j:=1 to m do
        begin
            read(a[j]);
            str(a[j],ak[j]);
        end;
        dp;
        readln;
    end;
    writeln(tot);
end.


 

 

 

 

 

<think>我们注意到用户引用了多个来源,但其中[1][3][4]是关于矩阵游戏的,而[2]描述的是另一个问题(从左上到右下的最小值,类似于最小路径和)。因此,我们主要参考[1][3][4]。 根据引用[1]和[4]的描述,矩阵游戏的规则如下: - 有一个n行m列的矩阵,元素为非负整。 - 每次从每一行一个元素,且只能该行行首或行尾。 - 一共m次(因为每行有m个元素)。 - 每次的得分是:被走的元素值乘以的次(从1开始计)。 - 注意:每一行是独立的,也就是说,每一行的顺序不会相互影响。因此,我们可以对每一行单独计算最大得分,最后把所有行的最大得分相加。 因此,问题转化为:对每一行,我们有一个组,长度为m,每次从首或尾一个,第k次的得分为a[k]*k(k从1到m),求该行能得到的最大得分。 对于单独一行,我们可以使用动态规划。设dp[i][j]表示在剩余子组为从下标i到下标j时,能得到的最大得分(注意:这个子组是连续的,因为每次只能两端)。但是注意,的次并不是由区间长度直接决定,而是与已经了多少个有关。实际上,我们的顺序是从1到m,那么当我们到某个区间[i,j]时,我们已经走了区间外的所有,即已经走的次为(i-1 + m - j)次。那么下一次(就是i位置或j位置)的序号就是(当前已经走的次+1)= (i-1 + m - j + 1) = (i + m - j)。因此,我们可以用区间长度来算出当前的是第几次。 具体地,设当前区间[i,j]的长度为len,那么已经走的个为m-len,那么当前要的这次就是第(m-len+1)次。所以状态转移方程为: dp[i][j] = max( dp[i+1][j] + a[i] * (m - len + 1), // 左端 dp[i][j-1] + a[j] * (m - len + 1) // 右端 ) 其中,len = (j-i+1),而初始条件为:当i=j时,即区间长度为1,那么此时这个,它应该是第m次(因为前面已经走了m-1个)?不对,实际上,当区间长度为1时,这是最后的一次,那么此时应该是第(m - (len-1))次,即第(m)次。但是注意,我们动态规划是从小到大扩展区间长度,所以初始区间长度为1,然后逐渐增大到m。 但是注意,在动态规划中,我们通常从区间长度由小到大递推。因此,我们可以这样设计: for len from 1 to m: for i from 1 to m-len+1: j = i+len-1 dp[i][j] = max( dp[i+1][j] + a[i] * (m - len + 1), dp[i][j-1] + a[j] * (m - len + 1) ) 注意:乘以的系是(m - len + 1),因为当前区间长度为len,那么已经走了m-len个,接下来的这次是第(m-len+1)次。 然而,引用[4]中给出的代码却使用了乘以2的幂次的方式,这是因为在NOIP2007提高组中,题目要求的是“每次的得分=被走的元素值*2^i”,其中i是第i次(但这与用户给出的题目描述不同)。用户在这里提到的是“弱化版”,即得分是乘以i(而不是2的i次方),所以我们要注意。 根据用户引用的[1]和[4]的代码,我们发现[4]的代码是处理高精度的,并且得分规则是乘以2的i次方(因为题目要求)。但用户的问题中明确说明是“弱化版”,即乘以i,所以我们可以不使用高精度,但是动态规划的思想相同,只是系不同。 因此,对于弱化版,我们不需要高精度,只需要用长整型(long long)即可。 另外,注意题目中每一行是独立的,所以我们对每一行都进行一次上述动态规划,然后累加每一行的最大得分(即dp[1][m])。 但是,在引用[4]的代码中,我们注意到它有一个乘以2的操作: f[l][l+len][i]=max(...) *2; 这是因为原题(提高组)每次后得分都要乘以2,而弱化版不需要乘以2,所以我们只需去掉这个乘以2即可。 总结步骤: 1. 读入n行m列的矩阵。 2. 初始化总得分ans=0。 3. 对每一行(设当前行为r): a. 初始化dp组(二维,大小为m*m),dp[i][i] = a[r][i] * m (因为当区间长度为1时,这是最后一次,也就是第m次,所以乘以m) b. 然后枚举区间长度从2到m(即len=2,3,...,m): for (int len=2; len<=m; len++) { for (int i=0; i<=m-len; i++) { int j = i+len-1; // 当前为:当前区间长度对应的次 = m - (len-1) ??? 注意:区间长度为len,那么已经走的个为m-len,所以当前是第(m-len+1)次 int t = m - len + 1; // 第t次 dp[i][j] = max( dp[i+1][j] + a[r][i] * t, dp[i][j-1] + a[r][j] * t ); } } c. 将这一行的最大得分dp[0][m-1]加到总得分ans上。 4. 输出ans。 注意:组下标从0开始还是从1开始?根据代码习惯,这里我们使用0-indexed。 但是,我们也要注意:引用[4]中用的是1-indexed,并且区间长度从0到m-1(len=0表示区间长度为1?不对,它的循环是len从0到m-1,然后内层循环l从1到m-len,区间是[l, l+len])。我们这里按照常规的区间DP写法。 然而,我们观察到:在动态规划中,我们递推区间长度时,初始条件(长度为1)已经设置好,然后长度为2,3,...,m。但是上面的动态规划方程中,乘以的系t仅依赖于区间长度,因此是正确的。 但是,注意上面的动态规划方程中,我们左端时,相当于先a[i],然后剩下的是[i+1,j];右端时,相当于先a[j],然后剩下的是[i,j-1]。这符合题意。 下面我们给出C++代码实现(弱化版,不含高精度): </think>### 矩阵游戏 C++ 实现分析 矩阵游戏的核心是**对矩阵的每一行独立进行动态规划求解**,因为每行的操作互不影响,总得分是各行最大得分的总和。以下是基于题目规则(弱化版,不含高精度)的实现方案: #### 动态规划思路 1. **状态定义** 对于单一行,定义 `dp[i][j]` 表示在子区间 `[i, j]` 能获得的最大得分,其中: - `i` 为当前区间左边界 - `j` 为当前区间右边界 - 当前 $t = m - (j - i)$(因为剩余长度为 $L = j-i+1$ 时,已为 $m-L$) 2. **状态转移方程** 每次选择行首或行尾元素,最大值: $$ \text{dp}[i][j] = \max \begin{cases} \text{dp}[i+1][j] + a[i] \times t \\ \text{dp}[i][j-1] + a[j] \times t \end{cases} $$ 其中 $t = m - (j - i)$。 3. **初始化** 当区间长度为 1 时($i=j$): $$ \text{dp}[i][i] = a[i] \times m \quad (\text{最后一次}) $$ 4. **结果计算** 每行最大得分为 `dp[0][m-1]`,总得分累加所有行的结果。 #### C++ 代码实现 ```cpp #include <iostream> #include <algorithm> #include <cstring> using namespace std; typedef long long ll; int main() { int n, m; cin >> n >> m; ll ans = 0; ll a[m]; // 存储单行据 for (int row = 0; row < n; row++) { for (int i = 0; i < m; i++) cin >> a[i]; // DP组初始化 ll dp[m][m]; memset(dp, 0, sizeof(dp)); // 枚举区间长度 for (int len = 1; len <= m; len++) { for (int i = 0; i <= m - len; i++) { int j = i + len - 1; int t = m - (j - i); // 当前 if (i == j) { dp[i][j] = a[i] * t; // 区间长度为1 } else { ll left = dp[i+1][j] + a[i] * t; ll right = dp[i][j-1] + a[j] * t; dp[i][j] = max(left, right); } } } ans += dp[0][m-1]; // 累加当前行最大得分 } cout << ans << endl; return 0; } ``` #### 代码说明 1. **时间复杂度**:$O(n \times m^2)$ - 每行需计算 $O(m^2)$ 个状态 - 共 $n$ 行 2. **空间优化** 实际可优化为滚动组,但上述代码更易理解 3. **输入输出示例** ```plaintext 输入: 2 3 // 2行3列 1 2 3 // 第一行据 4 5 6 // 第二行据 输出: 82 // 最大总得分=(1*1+2*2+3*3)+(4*1+5*2+6*3)=14+32=46 ❗注意实际计算过程 ``` **计算验证**: - 第一行最优路径:尾3(得分3×3=9)→ 尾2(得分2×2=4)→ 首1(得分1×1=1)→ 小计14 - 第二行最优路径:尾6(6×3=18)→ 尾5(5×2=10)→ 首4(4×1=4)→ 小计32 - **总分:14+32=46** #### 注意事项 - 本题与引用[4]的区别在于**弱化版使用线性系 $i$,而非 $2^i$**,因此不需高精度运算 - 引用[2][3]是不同题目(矩阵路径问题),与此题无关 - 实际竞赛中需注意据范围,$m \leq 200$ 时 $O(m^2)$ 可接受 ### 相关问题 1. **如何证明动态规划在此问题中的最优子结构性质?** 2. **若每行顺序不独立(全局顺序约束),应如何修改算法?** 3. **当矩阵规模极大(如 $m>10^3$)时,如何优化空间复杂度?**
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