POJ 1222 EXTENDED LIGHTS OUT(高斯消元)

Description
一个5*6的棋盘,每个格子有正反两面,每次翻转某个格子会让其上下左右的格子都翻转,现在给出一个初始状态,问如何翻转能使得整个棋盘每个格子都是0
Input
第一行一整数T表示用例组数,每组用例为一5*6矩阵表示每个格子的初始状态
Output
对于每组用例,输出一个5*6的矩阵表示每个格子的翻转情况,保证有解
Sample Input
2
0 1 1 0 1 0
1 0 0 1 1 1
0 0 1 0 0 1
1 0 0 1 0 1
0 1 1 1 0 0
0 0 1 0 1 0
1 0 1 0 1 1
0 0 1 0 1 1
1 0 1 1 0 0
0 1 0 1 0 0
Sample Output
PUZZLE #1
1 0 1 0 0 1
1 1 0 1 0 1
0 0 1 0 1 1
1 0 0 1 0 0
0 1 0 0 0 0
PUZZLE #2
1 0 0 1 1 1
1 1 0 0 0 0
0 0 0 1 0 0
1 1 0 1 0 1
1 0 1 1 0 1
Solution
将每个格子的翻转次数看作变量,问题转化为一个30*30的模2线性方程组,高斯消元即可
Code

#include<cstdio>
#include<iostream>
#include<cstring>
#include<algorithm>
#include<cmath>
using namespace std;
//高斯消元法解模线性方程组
#define maxn 33 
int a[maxn][maxn];//增广矩阵
int x[maxn];//解集
bool free_x[maxn];//标记是否是不确定的变元
int gcd(int a,int b)
{
    return b?gcd(b,a%b):a;
}
int lcm(int a,int b)
{
    return a/gcd(a,b)*b;
}
// 高斯消元法解方程组
//-2表示有浮点数解,但无整数解
//-1表示无解
//0表示唯一解
//大于0表示无穷解,并返回自由变元的个数
//有equ个方程,var个变元
//增广矩阵行数为equ,分别为0到equ-1,列数为var+1,分别为0到var.
int Gauss(int equ,int var,int mod)
{
    int i,j,k;
    int max_r;//当前这列绝对值最大的行.
    int col;//当前处理的列
    int ta,tb;
    int LCM;
    int temp;
    int free_x_num;
    int free_index;
    for(int i=0;i<=var;i++)
    {
        x[i]=0;
        free_x[i]=true;
    }
    //转换为阶梯阵.
    col=0;//当前处理的列
    for(k=0;k<equ&&col<var;k++,col++)
    {
        // 枚举当前处理的行.
        // 找到该col列元素绝对值最大的那行与第k行交换(为了在除法时减小误差)
        max_r=k;
        for(i=k+1;i<equ;i++)
        {
            if(abs(a[i][col])>abs(a[max_r][col])) max_r=i;
        }
        if(max_r!=k)
        {// 与第k行交换.
            for(j=k;j<var+1;j++) swap(a[k][j],a[max_r][j]);
        }
        if(a[k][col]==0)
        {// 说明该col列第k行以下全是0了,则处理当前行的下一列.
            k--;
            continue;
        }
        for(i=k+1;i<equ;i++)
        {// 枚举要删去的行.
            if(a[i][col]!=0)
            {
                LCM=lcm(abs(a[i][col]),abs(a[k][col]));
                ta=LCM/abs(a[i][col]);
                tb=LCM/abs(a[k][col]);
                if(a[i][col]*a[k][col]<0)tb=-tb;//异号的情况是相加
                for(j=col;j<var+1;j++)
                {
                    a[i][j]=((a[i][j]*ta-a[k][j]*tb)%mod+mod)%mod;
                }
            }
        }
    }
    //无解的情况
    for(i=k;i<equ;i++)
    { 
        if(a[i][col]!=0) return -1;
    }
    // 无穷解的情况
    if(k<var)
    {
        //自由变元有var-k个,即不确定的变元至少有var-k个.
        for(i=k-1;i>=0;i--)
        {
            free_x_num=0; // 用于判断该行中的不确定的变元的个数,如果超过1个,则无法求解,它们仍然为不确定的变元.
            for(j=0;j<var;j++)
            {
                if(a[i][j]!=0&&free_x[j]) free_x_num++,free_index=j;
            }
            if(free_x_num>1) continue; // 无法求解出确定的变元.
            // 说明就只有一个不确定的变元free_index,那么可以求解出该变元,且该变元是确定的.
            temp=a[i][var];
            for(j=0;j<var;j++)
            {
                if(a[i][j]!=0&&j!=free_index) temp-=a[i][j]*x[j]%mod;
                temp=(temp%mod+mod)%mod;
            }
            x[free_index]=(temp/a[i][free_index])%mod;//求出该变元.
            free_x[free_index]=0;//该变元是确定的.
        }
        return var-k; //自由变元有var-k个.
    }
    //唯一解的情况 
    for(i=var-1;i>=0;i--)
    {
        temp=a[i][var];
        for(j=i+1;j<var;j++)
        {
            if(a[i][j]!=0) temp-=a[i][j]*x[j];
            temp=(temp%mod+mod)%mod;
        }
        while(temp%a[i][i]!=0) temp+=mod;
        x[i]=(temp/a[i][i])%mod;
    }
    return 0;
}
void init()
{
    memset(a,0,sizeof(a));
    for(int i=0;i<5;i++)
        for(int j=0;j<6;j++)
        {
            int temp=i*6+j;a[temp][temp]=1;
            if(i>0)a[temp-6][temp]=1;
            if(i<4)a[temp+6][temp]=1;
            if(j>0)a[temp-1][temp]=1;
            if(j<5)a[temp+1][temp]=1;
        }
}
int main()
{
    int T,res=1;
    scanf("%d",&T);
    while(T--)
    {
        init();
        for(int i=0;i<30;i++)
        {
            int temp;
            scanf("%d",&temp);
            a[i][30]=temp;
        }
        int ans=Gauss(30,30,2);
        printf("PUZZLE #%d",res++);
        for(int i=0;i<30;i++)
        {
            if(i%6==0)printf("\n%d",x[i]);
            else printf(" %d",x[i]);
        }
        printf("\n");
    }
    return 0;
}
### 矩阵在扩展版 Lights Out 游戏中的实现 #### 背景介绍 关灯游戏(Lights Out)是一种基于逻辑的益智游戏,其核心机制涉及通过一系列操作使所有灯光熄灭。该游戏可以通过线性代数的方法建模并求解,其中矩阵扮演了重要角色。具体来说,游戏的状态可以用二进制向量表示,而每次点击的操作可以看作是对当前状态施加的一个变换。 对于扩展版本的游戏(如 POJ 1222),通常是一个 \( M \times N \) 的网格,初始状态下某些位置可能亮起或熄灭。目标是找到一种最小化翻转次数的方式使得整个网格变为全零状态(即所有灯均关闭)。这一过程可通过构建一个对应的布尔方程组来描述,并利用高斯消元法或其他数值技术求解[^3]。 #### 数学模型建立 假设我们有一个大小为 \( m=5, n=6 \) 的棋盘,则总共有 30 个独立变量代表各个格子是否被按压过。设这些未知数构成列向量 \( x=[x_1,x_2,...,x_{30}]^T \),如果某位 i 对应的位置需要按下一次就令 xi=1 否则等于 0 。接着定义另一个长度同的响应矢量 y ,它记录的是最终期望达到的目标配置 —— 这里就是全是 'off' 或者说都是 0 值的情况下的布局图样 [y₁,y₂,…,yn]=₀₆₀⁰[^4]. 为了表达上述关系,我们需要创建一个系数矩阵 A 来捕捉每一个按钮动作如何影响周围邻居节点的变化情况: \[ Ax = b \] 这里, - **A** 是一个稀疏矩阵,每一行对应于某个特定单元格及其邻域的影响模式; - **b** 表示初始条件下的光源分布状况; - 解决这个系统意味着寻找合适的输入序列 x 以满足给定的要求 b. 由于涉及到异或运算特性(xor operation), 实际上是在有限字段 GF(2)=Z/2Z 上执行计算而不是普通的实数空间 R^n 中进行处理. 因此标准算法比如 Gaussian elimination 需要做适当调整以便适应这种特殊的算术环境. #### 使用高斯消去法解决问题 一旦建立了这样的数学框架之后,就可以采用经典的 Gauss-Jordan Elimination 方法逐步简化增广矩阵直到得到唯一可行解或者是证明无解存在为止。特别注意当面对大规模实例时效率问题变得至关重要因此也可能考虑其他更高效的替代策略例如 Bitmasking Techniques 结合快速傅立叶变换 FFT 加速乘法步骤等等优化手段提升性能表现水平. 以下是用 Python 编写的简单例子展示如何运用 NumPy 库完成基本功能演示: ```python import numpy as np def create_matrix(m,n): """Create coefficient matrix for lights out game.""" size=m*n mat=np.zeros((size,size)) # Fill diagonal elements and neighbors based on grid structure. for r in range(m): for c in range(n): idx=r*n+c # Current cell itself always toggles. mat[idx,idx]=1 # Toggle top neighbor if exists. if r>0: mat[(r-1)*n+c,idx]=mat[idx,(r-1)*n+c]=1 # Bottom neighbor similarly handled... ... return mat.astype(int) # Example usage creating small test case setup. if __name__=="__main__": M,N=(5,6) initial_state=[[int(c)for c in line.strip().split()]for _in range(M)] target_vector=sum(initial_state,[]) coeff_mat=create_matrix(M,N) augmented=np.hstack([coeff_mat,np.array(target_vector).reshape(-1,1)]) rank_before_elim=np.linalg.matrix_rank(coeff_mat) reduced_form,rref_rows,_=gauss_jordan(augmented) solution_exists=len(rref_rows)==len(set(map(tuple,reduced_form[:,-1]))) print("Solution Exists:",solution_exists) ``` 以上脚本片段仅作为概念验证用途并未完全覆盖边界情形检测等功能完善需求实际部署前还需进一步测试改进确保鲁棒性和兼容性良好。 ---
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