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数学与程序 一道游戏题目的快速解法
来源:中国IT实验室收集整理  时间:2007-5-30

  题目:

  有十个开关等间距排成一线,每个开关对应其上方的一盏灯(十盏灯也排成一线)。每按动一下开关,可以使对应的灯改变状态(原来亮着的将熄灭,原来熄灭的将被点亮)。

  但是,由于开关之间的距离很小,每次按动开关时,相邻的一个开关也将被按动。例如:按动第5个开关,则实际上第4、5、6个开关都被按动。而按动靠边的第1个开关时,第1、2个开关都被按动。并且,无法只按动最靠边的一个开关。

  现在给出十盏灯的初始的状态和目标状态,要求计算:从初始状态改变到目标状态所需要的最少操作次数。

  函数接口:

  int MinChange(const int Start[],const int End[]);

  其中:Start表示了初始状态,End表示了目标状态。表示状态的数组(Start和End)中,若某元素为0表示对应的灯亮着,否则表示对应的灯没有亮。调用函数时保证Start和End数组长度均为10,并保证有解。

  看了很多人的解法都是用循环遍历来判断是否达到最后要求,但是如果和线形代数结合的话,就有一种很快速的解法。

  约定:以下所用的‘+’号都是‘异或’的运算。

  先简化一下,假设有四个灯,初始状态s0~s3,目标状态是e0~e3,转换一次状态就是和1进行异或运算一次,所以状态转移矩阵为:

  (s0,s1,s2,s3)+k0*(1,1,0,0)+k1*(1,1,1,0)+k2*(0,1,1,1)+k3*(0,0,1,1)=(e0,e1,e2,e3);

  其中k(n)表示第n个开关所翻动的次数。并且,注意异或运算中a+b+b=a,所以,某个开关翻动偶数次的效果相当于没有翻动,翻动奇数次的效果相当于翻动一次;又由于异或运算满足交换律,所以翻动的顺序没有影响。综上每个开关翻动的次数只有1次或0次就足够了。

  设m(n)=s(n)+e(n),注意异或运算中的'-'也就是'+',所以解线性方程组:

  k0+k1 =m1;

  k0+k1+k2 =m2;

  k1+k2+k3=m3;

  k2+k3=m4;

  假设解存在,就可以算出通解(k0,k1,k2,k3),再统计出通解中1的个数,就是所需要翻动的次数了。并且还可以知道哪些开关需要拨动,比如算出解是(1,0,1,0)就是第0和2个开关需要拨动一次。

  因此针对本题目的10个灯泡,本人已算出这10元线性方程组的通解:

  k0=m0+m2+m3+m5+m6+m8+m9;

  k1=m2+m3+m5+m6+m8+m9;

  k2=m0+m1;

  k3=m3+m0+m1+m5+m6+m8+m9;

  k4=m5+m6+m8+m9;

  k5=m4+m3+m0+m1;

  k6=m6+m4+m3+m0+m1+m8+m9;

  k7=m8+m9;

  k8=m7+m6+m4+m3+m0+m1;

  k9=m9+m7+m6+m4+m3+m0+m1;

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