一尘不染

泛化多米诺拼贴的算法?

algorithm

OP提出了以下问题:

给定一个矩形网格,其中一些正方形是空的,而有些则被填充,那么可以放置到世界中的最大2x1多米诺骨牌数是什么,以使没有两个多米诺骨牌重叠并且在填充的正方形上面没有多米诺骨牌?

这个问题的答案(非常漂亮!)认识到,这等同于在特殊构造的图中找到最大二分匹配。在此图中,每个空正方形都有一个节点,该节点通过一条边链接到其每个邻居。然后,每个多米诺骨牌都对应于图中的一条边,这样其端点就不会被任何其他边所覆盖。因此,任何不共享顶点(匹配)的边集都对应于多米诺骨牌的排列,反之亦然。

我的问题是对此较早版本的概括:

给定一个矩形网格,其中一些正方形是空的,而有些则被填充,可以放置到世界中的M x
N个多米诺骨牌(对于给定的M和N)的最大数量是什么,从而没有两个多米诺骨牌重叠并且在顶部没有多米诺骨牌实心方块?

我看不到如何将其转换为匹配的问题,就像以前的情况一样。但是,我也看不出有什么特殊原因可以立即使该问题对NP困难,因此对于该问题可能有多项式时间解。

是否有解决此问题的有效算法?还是有人能说明这个问题是NP难题的?

非常感谢!


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2020-07-28

共1个答案

一尘不染

这个问题绝对是NP难题,我可以证明这一点。从3-SAT减少到这个问题。具体来说,这是从3-SAT减少到此问题的子问题的问题,在该问题中,多米诺骨牌为1x3。对于其他特定大小,可能还会有其他减少,但是此方法肯定有效。

本质上,在这种减少中,我们将使用多米诺骨牌位置来编码true或false。具体来说,我将采用与其他解决方案相同的表示法,也就是说,我将使用星号表示网格上的开放空间。我还将使用由三个大写字母组成的集合来表示多米诺骨牌,并使用小写字母来表示“信号”,它们是根据系统状态可能填充也可能不填充的空格。

要将3-SAT问题嵌入该空间,我们将需要一组我称之为小工具的小工具,这些小工具仅允许某些状态成为可能。这些小工具中的大多数都将具有固定数量的多米诺骨牌。代表子句的小工具是个例外,如果该子句为真(满足),则为一个多米诺,但如果为假(不满足)则为一个。我们可以使用路径互连这些小工具。这将使我们能够构建一个3-SAT电路。我们将有一个基本的多米诺骨牌,因为每个路径和小工具都将使用标准数量的多米诺骨牌,我们可以将它们加起来得到一个基本数字k,然后每个子句小工具都可以有一个额外的多米诺骨牌(如果为真),所以如果所有可以使子句为真(因此满足表达式),并且有n个子句,则多米诺骨牌的最大数量为n
+ k。如果不是,则最大数量将小于n + k。这是减少的基本形式。接下来,我将描述这些小工具并给出示例。

与其他答案类似,我们将在两个位置上为给定变量编码true和false。因此,我将从一个可以位于两个可能位置的图块开始。

****

这可以用一个多米诺骨牌覆盖

AAA* or *AAA

显然,不能用2个多米诺骨牌覆盖它,而用0个多米诺骨牌覆盖它永远不会是最大的。出于我的目的,我们将考虑使用突出表示“ false”的值和缺少突出表示“
true”的值。因此,我们可以将此部分视为承载了两个信号:

x**y

在这种情况下,将仅覆盖x或y中的一个,因此我们可以认为信号是x,而逻辑上不考虑x。就我们的目的而言,无论被覆盖的是假的,还是未被覆盖的都是真。接下来,我们可以简单地通过弯曲的笔直路径传输信号。如果我们有

x*****y

我们将再次恰好具有两个多米诺骨牌,并导致x或y被覆盖,但不能同时覆盖两个。

***y
*
*
x

将具有完全相同的行为。因此,我们可以使用它来创建长度为3的弯曲的长且弯曲的路径。但是,并非所有可能要使用的长度都是3的增量,因此我们需要一个附加的小工具来移动不同的距离。我称此为提琴手小工具,它的唯一目的是将信号移到不均匀的距离以使事物成功连接。它的输入来自x,输出到达y,并且仅传输相同的信号。看起来像这样:

 ***y
 *
**x

它始终完全包含两个多米诺骨牌,并以下列两种方式之一填充:

 BBB*     ABBB
 *        A   
AAA      *AX

但是,如果要对3-SAT建模,我们需要的还不止这些。具体来说,我们需要某种方式对子句进行建模。为此,我们有一个小工具,如果该子句为true,则可以在其中填充一个额外的多米诺骨牌。当一个或多个输入为true时,此子句为true。在这种情况下,这意味着当至少一个输入不突出时,我们可以打包一个额外的多米诺骨牌。它看起来像这样:

*x*y*
  *
  z

如果为清晰起见,我们为每个路径添加了一条额外的路径,则它看起来像这样:

 * *
 * *
 * *
*****
  *
  ****

如果x,y和z均为假,则它们都将具有突起,并且将被填充为:

 A B
 C D
 C D
*C*D*
  *
  EEEF

其余的多米诺骨牌A,B和F继续沿着某处的路径行驶。如果至少有一个输入为真,那么我们可以像这样包装一个额外的多米诺骨牌(G):

 C B         A D         A B
 C D         C D         C D
 C D    or   C D    or   C D
GGGD*       *CGGG       *CGD*
  *           *           G
  EEEF        EEEF        GEEE

但是,即使所有输入都正确,我们也不能打包多个Domino。该情况如下所示:

 C D
 C D
 C D
*****
  *
  *EEE

如您所见,我们只能将一个多米诺骨牌恰好插入空白空间,而不是两个。

现在,如果术语从未重复,那么我们将完成(或几乎完成)。但是,它们可以重复,因此接下来,我们需要一个信号分离器,以便一个变量可以以多种形式出现。为此,我们利用以下小工具:

y*** ***z
   * *
   ***
   ***
    x

在此小工具中,x是输入,y和z是输出。在此小工具中,我们总是可以打包5个多米诺骨牌。如果x突出而不是堆积5个多米诺骨牌,则总是也需要覆盖y和z。如果x不突出,则不需要覆盖y和z。x不突出的包装看起来像这样:

yAAA BBBz
   C D  
   CED 
   CED  
    E

当x确实突出时(我们用X表示多米诺骨牌的末端突出到空间x中),最大填充必然覆盖y和z:

AAAC DBBB
   C D
   C*D
   EEE
    X

我将花一点时间指出,当x突出的方式不使y或z突出时,可以用五个多米诺骨牌包装它。但是,这样做将导致可能为真(不突出)的术语变为错误(突出)。只允许某些术语(不是变量,而是子句中的实际术语)仅通过不必要地变为false来实现值的差异,决不会导致能够满足否则无法令人满意的表达式。如果我们的3-SAT表达式是(x
| y | z)&(!x | y
|!z),那么将x和!x都设为false只会使事情变得更难。如果我们允许某个事物的两端都是真实的,这将导致错误的解决方案,但是在此方案中我们不这样做。要根据我们的特定问题进行构架,

使用路径和这三个小工具,我们现在可以求解平面3-SAT,这将是3-SAT的子问题,如果我们绘制一个图形,其中术语和从句是顶点,并且每个术语与每个子句之间都存在一条边包含该术语的子句,表明图形是平面的。我相信平面3-SAT可能是NP硬的,因为平面1-in-3-SAT是,但是如果不是,我们可以使用小工具进行信号穿越。但这确实很复杂(如果有人看到更简单的方法,请告诉我),因此首先我将举一个使用该系统求解平面3-SAT的示例。

因此,一个简单的平面3-SAT问题将是(x | y | z)&(!x | y
|!z)。显然,使用y为true的任何赋值或其他几个赋值,这都是可以满足的。我们将这样构建我们的多米诺骨牌问题:

    *******
    *     *
    *     *
 ****   ***
 *       *
***      ****
  *         *
  *         *        
  * ******* *
  * *     * *
  * *     * *
 *z*x*   *****
   *       *
   **** ****
      * *
      ***
      ***
       *
       *
       *           
       y

注意,我们必须在顶部使用提琴手来正确地放置东西,否则本来就不那么复杂了。

将小工具和路径中的总多米诺骨牌加起来,我们得到1个分割器(5个多米诺骨牌),两个提琴手(每个2个多米诺骨牌)和总共13条常规路径,总共保证了5 + 2 * 2 + 13 =
22个多米诺骨牌,即使不能满足这些条款。如果可以,那么我们将再添加2个多米诺骨牌,总共可以填充24个。一个具有24个多米诺骨牌的最佳包装如下:

    QRRRSSS
    Q     T
    Q     T
 OPPP   *UT
 O       U
*ON      UVVV
  N         W
  N         W        
  M IIIJJJK W
  M H     K X
  M H     K X
 *zGH*   LLLX*
   G       *
   GEEE FFF*
      B D
      BCD
      BCD
       C
       A
       A
       A

该切片包含24个多米诺骨牌,因此我们可以知道原始表达式是可以满足的。在这种情况下,平铺对应于将y和x设为true,将z设为false。请注意,这不是唯一的切片(也不是布尔值的唯一令人满意的分配),但是没有其他切片会增加切片的数量,使其超过24,因此这是最大切片。(如果您不想计算所有的多米诺骨牌,可以注意到我用了每个字母,除了Y和Z。)

如果最大平铺包含22个或23个多米诺骨牌,那么我们将知道不满足其中一个子句(将无法放置GGG和/或LLL多米诺骨牌),因此我们将知道原始表达式不可以满足的。

为了确保即使平面3-SAT并非NP-
hard,我们也可以做到这一点,我们可以构建一个允许路径交叉的小工具。不幸的是,这个小工具虽然又大又复杂,但它是我能发现的最小的小工具。我将首先描述各个部分,然后再描述整个小工具。

片段1:交叉点。x和y是输入。a,b和c是输出。它们将需要使用其他小工具组合起来,以实际将x和y中继到彼此的另一侧。

   ***c
   *
  ***
  * *
  * *
  * *
  ***
  ***
 ax*yb

这个小工具将始终完全适合7个多米诺骨牌。有四种可能的输入组合。如果两个输入都没有突出(均为真),则没有输出突出,并且将按照下面的(tt1)或(tt2)进行填充。如果仅输入x突出,则只有c突出,如下面的(ft)所示。如果仅输入y突出,则输出a或c都将突出,如下面的(tf)所示。并且如果输入x和y都突出,则输出c突出,如下面的(ff)所示。

 (tt) AAAc         (ft) AAAc         (tf) AAAc         (ff) BAAA     
      *                 *                 *                 B        
     BBB               BBB               BBB               CBD       
     C D               C D               C D               C D       
     C D               C D               C D               C D       
     C D               C D               C D               E G       
     EEE               EEE               EEE               EFG       
     FFF               FFF               FFF               EFG       
    aGGGb             aXGGG             GGGYb             aXFYb

我没有考虑在(ft)或(tf)场景中可以覆盖c而不是a或b的可能性。在此小工具的范围内,这是可能的,但是一旦与其他小工具结合形成完整的交叉,如果这样做,就永远不会导致满足更多的子句,因此我们可以排除它。考虑到这一点,我们可以观察到,在这种情况下,输入x的值等于b&c的值,输入y等于a&c的值(请注意,这是逻辑上的,或者更确切地说是比逻辑性更强,并且如果突出被视为正确而非错误)。因此,我们只需要拆分c,然后使用逻辑和小工具分别将a和b的c值连接起来,就可以成功完成交叉。

到目前为止,逻辑和是我们最简单的小工具,它看起来像这样:

  ****
  *
 x*y

您可能实际上注意到,在交叉点小工具的顶部嵌入了一个。这个小工具将始终精确包含2个多米诺骨牌。一个将在顶部充当输出。另一个开关用作开关,仅当x和y均为true(非突出)时才水平放置,否则将竖直放置,如下图所示:

 BBB*     ABBB     ABBB     ABBB
 *        A        A        A   
AAA      XAy      xAY      XAY

因此,我们可以通过分割c并添加其中两个门来完成分频,一个用于a&c,另一个用于b&c。将它们放在一起还需要添加一些小提琴手小工具,看起来像这样:

             ******* ****
             *     * *  *
             *     ***  *
            ***    *** ***
              *     *  *
           ****     *  ****
           *        *     *
           *     ****     *
          ***    *       ***
            *   ***      *
         ****   * *      ****
    y    *      * *         *    x
    *    *      * *         *    *
    * ****      ***         **** *
    ***         ***            ***
      **********x*y*************

我不会为此填充示例拼贴。如果要查看实际效果,则必须自己完成。所以,万岁!现在,我们可以执行任意的3-SAT。我应该花一点时间注意,这样做将是多项式时间转换,因为即使在最坏的情况下,我们也可以制作一个大网格,其中所有变量及其相反的元素都位于顶部,而所有项都在侧面,然后执行O(n
^ 2)分频器。因此,有一个简单的多项式时间算法可以解决所有这些问题,并且已转换问题的最大大小是输入问题大小的多项式。QED。


编辑说明:继汤姆·西尔达达斯(Tom
Sirgedas)出色地发现分离器小工具中的错误之后,我对答案做了一些更改。本质上,我的旧分离器看起来像这样,当x不突出时(而不是我原本打算的5个),可以装满6个:

y*** ***z   AAAC DBBB
   * *         C D
   ***         C*D
   ***         EEE
   *x*         FFF

因此,我通过删除x两侧的两个空格对其进行了修订。这样就消除了六个多米诺骨牌包装,同时仍然允许在x和x覆盖时不覆盖y和z的5-domino填充。

2020-07-28