POJ 1222 EXTENDED LIGHTS OUT 高斯消元 异或方程 (水

本文详细阐述了解决特定矩阵灯状态转换问题的算法过程,包括问题背景、数学建模、求解步骤及代码实现,旨在提供一种有效的方法来实现从初始全暗状态到指定目标状态的灯操作方案。

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题意:

给定5*6 的灯的目标状态(开始全暗),每按下一个灯就会把这个灯及这灯相邻的4个灯状态改变。

输出一个按灯的方案使得由全暗变成输入的状态。

思路:

每盏灯都作为一个变量,

a1&x1 + a2&x2 + a3&x3 ··· a30&x30 = input[1][1]

 能影响到某盏灯的系数是1,其他是0

实际上是

x4 + x5 + x3 + x10 = input[4]

但其他不相关的变量也要填充进方程,所以前面系数设置为0。

共5*6个变量,系数矩阵30*30,增广矩阵 30*31.

回代时注意是系数和变量之间的符号是&

#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<cmath>
#include<vector>
#include<algorithm>
template <class T>
inline bool rd(T &ret) {
	char c; int sgn;
	if (c = getchar(), c == EOF) return 0;
	while (c != '-' && (c<'0' || c>'9')) c = getchar();
	sgn = (c == '-') ? -1 : 1;
	ret = (c == '-') ? 0 : (c - '0');
	while (c = getchar(), c >= '0'&&c <= '9') ret = ret * 10 + (c - '0');
	ret *= sgn;
	return 1;
}
template <class T>
inline void pt(T x) {
	if (x <0) {
		putchar('-');
		x = -x;
	}
	if (x>9) pt(x / 10);
	putchar(x % 10 + '0');
}
const double eps = 1e-8;
typedef long long ll;
using namespace std;
int step[5][2], id[5][6];
int A[30][31], init[30][31];
int ans[30];
int Guass(int mat[][31], int row, int col){
	int r, c, i, j;
	for (r = c = 0; r < row && c < col; r++, c++){
		for (i = r; i < row; i++)if (mat[i][c]>0)break;
		if (i == row){ r--; continue; }
		if (i != r)
			for (j = c; j <= col; j++)	swap(mat[i][j], mat[r][j]);
		for (i = r + 1; i < row; i++)	
			if(mat[i][c]>0)
				for (j = c; j <= col; j++)	mat[i][j] ^= mat[r][j];
	}
	for (i = r; i < row; i++) if (mat[i][col] > 0)return 0;
	for (i = r - 1; i >= 0; i--)
	{
		ans[i] = mat[i][col];
		for (j = i + 1; j < col; j++)
			ans[i] ^= (mat[i][j] && ans[j]);
	}
	return 1;
}
int main() {
	step[0][0] = 0; step[0][1] = 0;
	step[1][0] = 1; step[1][1] = 0;
	step[2][0] = 0; step[2][1] = 1;
	step[3][0] = -1; step[3][1] = 0;
	step[4][0] = 0; step[4][1] = -1;
	int now = 0;
	for (int i = 0; i < 5; i++)for (int j = 0; j < 6; j++)id[i][j] = now++;
	memset(init, 0, sizeof init);
	for (int i = 0; i < 5; i++)for (int j = 0; j < 6; j++){
		for (int k = 0; k < 5; k++)
		{
			int x = i + step[k][0], y = j + step[k][1];
			if (0 <= x&&x<5 && 0 <= y&&y<6)init[id[i][j]][id[x][y]] = 1;
		}
	}
	int T, Cas = 1; rd(T);
	while (T-->0){
		for (int i = 0; i < 30; i++)for (int j = 0; j < 30; j++)A[i][j] = init[i][j];
		for (int i = 0; i < 5; i++)
		for (int j = 0; j < 6; j++)
			rd(A[id[i][j]][now]);
		Guass(A, 30, 30);
		printf("PUZZLE #%d\n", Cas++);
		for (int i = 0, tmp = 0; i < 5; i++)
		for (int j = 0; j < 6; j++){
			pt(ans[tmp++]);
			if (j == 5)puts(""); else putchar(' ');
		}
	}
	return 0;
}




import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.math.BigInteger;
import java.text.DecimalFormat;
import java.util.ArrayDeque;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.Collection;
import java.util.Collections;
import java.util.Comparator;
import java.util.Deque;
import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
import java.util.LinkedList;
import java.util.Map;
import java.util.PriorityQueue;
import java.util.Scanner;
import java.util.Stack;
import java.util.StringTokenizer;
import java.util.TreeMap;
import java.util.TreeSet;
import java.util.Queue;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;

public class Main {
	int[][] step = new int[5][2], id = new int[N][N];
	int[][] A = new int[N][N], init = new int[N][N];
	int[] ans = new int[N];
	int Guass(int[][] mat, int row, int col){
		int r, c, i, j;
		for (r = c = 0; r < row && c < col; r++, c++){
			for (i = r; i < row; i++)if (mat[i][c]>0)break;
			if (i == row){ r--; continue; }
			if (i != r)
				for (j = c; j <= col; j++)
				{int tmp = mat[i][j]; mat[i][j] = mat[r][j]; mat[r][j] = tmp;}
			for (i = r + 1; i < row; i++)	
				if(mat[i][c]>0)
					for (j = c; j <= col; j++)	mat[i][j] ^= mat[r][j];
		}
		for (i = r; i < row; i++) if (mat[i][col] > 0)return 0;
		for (i = r - 1; i >= 0; i--)
		{
			ans[i] = mat[i][col];
			for (j = i + 1; j < col; j++)
				ans[i] ^= (mat[i][j] & ans[j]);
		}
		return 1;
	}
	void work() throws Exception {
		step[0][0] = 0; step[0][1] = 0;
		step[1][0] = 1; step[1][1] = 0;
		step[2][0] = 0; step[2][1] = 1;
		step[3][0] = -1; step[3][1] = 0;
		step[4][0] = 0; step[4][1] = -1;
		int now = 0;
		for(int i = 0; i < 5; i++)for(int j = 0; j < 6; j++)id[i][j] = now++;
		for(int i = 0; i < N; i++)for(int j = 0; j < N; j++)init[i][j] = 0;
		for(int i = 0; i < 5; i++)for(int j = 0; j < 6; j++){
			for(int k = 0; k < 5; k++)
			{
				int x = i+step[k][0], y = j+step[k][1];
				if(0<=x&&x<5&&0<=y&&y<6)init[id[i][j]][id[x][y]] = 1;
			}
		}
		int T = Int(), Cas = 1;
		while (T-->0){
			for(int i = 0; i < N; i++)for(int j = 0; j < N; j++)A[i][j] = init[i][j];
			for(int i = 0; i < 5; i++)
				for(int j = 0; j < 6; j++)
					A[id[i][j]][now] = Int();
			Guass(A, now, now);
			out.println("PUZZLE #" + (Cas++));
			for(int i = 0, tmp = 0; i < 5; i++)
				for(int j = 0; j < 6; j++){
					out.print(ans[tmp++]);
					if(j==5)out.println(); else out.print(" ");
				}
		}
	}
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		Main wo = new Main();
        in = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));  
        out = new PrintWriter(System.out);  
		// in = new BufferedReader(new InputStreamReader(new FileInputStream(new File("input.txt"))));
		// out = new PrintWriter(new File("output.txt"));
		wo.work();
		out.close();
	}

	static int N = 56;
	static int M = N * 2;
	DecimalFormat df = new DecimalFormat("0.0000");
	static int inf = (int) 1e9;
	static long inf64 = (long) 1e18;
	static double eps = 1e-8;
	static double Pi = Math.PI;
	static int mod = (int) 1e9 + 7;

	private String Next() throws Exception {
		while (str == null || !str.hasMoreElements())
			str = new StringTokenizer(in.readLine());
		return str.nextToken();
	}

	private int Int() throws Exception {
		return Integer.parseInt(Next());
	}

	private long Long() throws Exception {
		return Long.parseLong(Next());
	}

	private double Double() throws Exception {
		return Double.parseDouble(Next());
	}

	StringTokenizer str;
	static Scanner cin = new Scanner(System.in);
	static BufferedReader in;
	static PrintWriter out;

	
	class Edge{
		int from, to, dis, nex;
		Edge(){} 
		Edge(int from, int to, int	 dis, int nex)
		{
		this.from = from; this.to = to; this.dis = dis; this.nex =	nex; 
		}
	} 
	Edge[] edge = new Edge[M<<1]; 
	int[] head = new int[N]; int edgenum; 
	void init_edge(){ for(int i = 0; i < N; i++)head[i] = -1; edgenum = 0;} 
	void add(int u, int v, int dis){ 
		edge[edgenum] = new Edge(u, v, dis, head[u]); 
		head[u] = edgenum++; 
	}
	 /*
	 */
	int upper_bound(int[] A, int l, int r, int val) {// upper_bound(A+l,A+r,val)-A;
		int pos = r;
		r--;
		while (l <= r) {
			int mid = (l + r) >> 1;
			if (A[mid] <= val) {
				l = mid + 1;
			} else {
				pos = mid;
				r = mid - 1;
			}
		}
		return pos;
	}

	int lower_bound(int[] A, int l, int r, int val) {// upper_bound(A+l,A+r,val)-A;
		int pos = r;
		r--;
		while (l <= r) {
			int mid = (l + r) >> 1;
			if (A[mid] < val) {
				l = mid + 1;
			} else {
				pos = mid;
				r = mid - 1;
			}
		}
		return pos;
	}

	int Pow(int x, int y) {
		int ans = 1;
		while (y > 0) {
			if ((y & 1) > 0)
				ans *= x;
			y >>= 1;
			x = x * x;
		}
		return ans;
	}

	double Pow(double x, int y) {
		double ans = 1;
		while (y > 0) {
			if ((y & 1) > 0)
				ans *= x;
			y >>= 1;
			x = x * x;
		}
		return ans;
	}

	int Pow_Mod(int x, int y, int mod) {
		int ans = 1;
		while (y > 0) {
			if ((y & 1) > 0)
				ans *= x;
			ans %= mod;
			y >>= 1;
			x = x * x;
			x %= mod;
		}
		return ans;
	}

	long Pow(long x, long y) {
		long ans = 1;
		while (y > 0) {
			if ((y & 1) > 0)
				ans *= x;
			y >>= 1;
			x = x * x;
		}
		return ans;
	}

	long Pow_Mod(long x, long y, long mod) {
		long ans = 1;
		while (y > 0) {
			if ((y & 1) > 0)
				ans *= x;
			ans %= mod;
			y >>= 1;
			x = x * x;
			x %= mod;
		}
		return ans;
	}

	int gcd(int x, int y) {
		if (x > y) {
			int tmp = x;
			x = y;
			y = tmp;
		}
		while (x > 0) {
			y %= x;
			int tmp = x;
			x = y;
			y = tmp;
		}
		return y;
	}

	int max(int x, int y) {
		return x > y ? x : y;
	}

	int min(int x, int y) {
		return x < y ? x : y;
	}

	double max(double x, double y) {
		return x > y ? x : y;
	}

	double min(double x, double y) {
		return x < y ? x : y;
	}

	long max(long x, long y) {
		return x > y ? x : y;
	}

	long min(long x, long y) {
		return x < y ? x : y;
	}

	int abs(int x) {
		return x > 0 ? x : -x;
	}

	double abs(double x) {
		return x > 0 ? x : -x;
	}

	long abs(long x) {
		return x > 0 ? x : -x;
	}

	boolean zero(double x) {
		return abs(x) < eps;
	}

	double sin(double x) {
		return Math.sin(x);
	}

	double cos(double x) {
		return Math.cos(x);
	}

	double tan(double x) {
		return Math.tan(x);
	}

	double sqrt(double x) {
		return Math.sqrt(x);
	}
	double fabs(double x){return x>0?x:-x;}
}


### 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相同的响应矢量 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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