• 详解DLX及其应用


    什么是DLX?

    让我们看看百度百科上的解释:在 计算机科学 中, Dancing Links ,舞蹈链, 也叫 DLX, 是由 Donald Knuth 提出的数据结构,目的是快速实现他的 X算法.X算法是一种递归算法,时间复杂度不确定, 深度优先, 通过回溯寻找精确覆盖问题所有可能的解。有一些著名的精确覆盖问题,包括铺砖块,八皇后问题,数独问题。

    X算法

    概念

    X算法用由0和1组成的矩阵A来表示精确覆盖问题,目标是选出矩阵的若干行,使得其中的1在所有列中出现且仅出现一次。(出自度娘)

    实现步骤

    1.如果矩阵A为空(没有任何列),则当前局部解即为问题的一个解,返回成功;否则继续。 2.根据一定方法选择第c列。如果某一列中没有1,则返回失败,并去除当前局部解中最新加入的行。 3.选择第r行,使得A[r,c]=1(该步是不确定的)。 4.将第r行加入当前局部解中。 5.对于满足A[r,j]=1的每一列j,从矩阵A中删除所有满足A[i,j]=1的行,最后再删除第j列。 6.对所得比A小的新矩阵递归地执行此算法。

    图解

    >例如有一个这样的矩阵A: $$ mathbf{A} = left( egin{array}{ccc} {0} & {0} & {1} & {0} & {1} & {1} & {0} \ {1} & {0} & {0} & {1} & {0} & {0} & {1} \ {0} & {1} & {1} & {0} & {0} & {1} & {0} \ {1} & {0} & {0} & {1} & {0} & {0} & {0} \ {0} & {1} & {0} & {0} & {0} & {0} & {1} \ {0} & {0} & {0} & {1} & {1} & {0} & {1} \ end{array} ight) $$ ps:例子引用自[grenet奆佬](http://www.cnblogs.com/grenet/p/3145800.html) 这个例子就包含了一个(1,4,5)的精确覆盖解。

    1.然后让我们人工模拟一遍X算法,好好体会体会:
    最开始首先假定选择第一列:

    [left( egin{array}{ccc} {0} & {0} & {1} & {0} & {1} & {1} & {0} \ { } & { } & { } & { } & { } & { } & { } \ { } & { } & { } & { } & { } & { } & { } \ { } & { } & { } & { } & { } & { } & { } \ { } & { } & { } & { } & { } & { } & { } \ { } & { } & { } & { } & { } & { } & { } \ end{array} ight) ]

    那么对于第一行有1的列,即(3,5,6),可向下不断延伸,遇到有1的位置,就把该行标记:

    [mathbf{B} = left( egin{array}{ccc} {0} & {0} & {1} & {0} & {1} & {1} & {0} \ { } & { } & {0} & { } & {0} & {0} & { } \ {0} & {1} & {1} & {0} & {0} & {1} & {0} \ { } & { } & {0} & { } & {0} & {0} & { } \ { } & { } & {0} & { } & {0} & {0} & { } \ {0} & {0} & {0} & {1} & {1} & {0} & {1} \ end{array} ight) ]

    2.这样就可以用A矩阵-B矩阵(即删除所标记的行和列),得到一个新的、小一点的矩阵A(即得到一个规模较小的精确覆盖问题):

    [mathbf{A} = left( egin{array}{ccc} {1} & {0} & {1} & {1} \ {1} & {0} & {1} & {0} \ {0} & {1} & {0} & {1} \ end{array} ight) ]

    3.那么根据1,又可进行一下操作:
    先选第一列:

    [mathbf{A} = left( egin{array}{ccc} {1} & {0} & {1} & {1} \ { } & { } & { } & { } \ { } & { } & { } & { } \ end{array} ight) ]

    那么对于第一行有1的列,即(1,3,4),可向下不断延伸,遇到有1的位置,就把该行标记:

    [mathbf{B} = left( egin{array}{ccc} {1} & {0} & {1} & {1} \ {1} & { } & {1} & {0} \ {0} & {1} & {0} & {1} \ end{array} ight) ]

    4.这样就可以用A矩阵-B矩阵(即删除所标记的行和列),又得到一个新的、小一点的矩阵A(即又得到一个规模较小的精确覆盖问题):

    [mathbf{A} = left( egin{array}{ccc} {0}\ end{array} ight) ]

    这个时候我们发现当前A矩阵不为空,也没有一列有1(既无法继续操作)
    则这个时候说明之前走出了错误的一步,就需要我们回溯——

    5.那么根据步骤就回溯到3:

    [mathbf{A} = left( egin{array}{ccc} {1} & {0} & {1} & {1} \ {1} & {0} & {1} & {0} \ {0} & {1} & {0} & {1} \ end{array} ight) ]

    这个时候就不能尝试第一行,那我们就标记第二行,并按照之前的方法扩展:

    [mathbf{B} = left( egin{array}{ccc} {1} & {0} & {1} & {1} \ {1} & {0} & {1} & {0} \ {0} & { } & {0} & { } \ end{array} ight) ]

    6.那么由4,同理我们可得:

    [mathbf{A} = left( egin{array}{ccc} {1} & {1} \ end{array} ight) ]

    那么继续上面的步骤,显然整个矩阵最后就可以被缩减完。

    7.由此,我们就得到了那组解(1,4,5)

    DLX算法

    那为什么还要用DLX算法呢?直接用X算法不好吗?

    根据我们刚才的运行过程,

    如果过程中有大量的回溯和标记过程,那我们如果用数组存储之前的信息,显然是不可能的,~妥妥的MLE没商量

    这个时候我们就要隆重请出舞蹈链的X算法(即DLX)

    舞蹈链怎样实现

    舞蹈链,即为一个双向十字循环链表,**即每个点都与上下左右四个点连有一条双向指针** **(第一排的up指向最后一排,最后一排的down指向第一排;第一列的left指向最后一列,最后一列的right指向第一列)** **重点:因为是链表,所以我们需要一个初始节点来建表** >1.那么最开始初始化的时候,我们将第一行的指针指好: ```cpp templateinline void init(TP n,TP m) { F1(i,0,m) { L[i]=i-1,R[i]=i+1; U[i]=D[i]=i; } L[0]=m,R[m]=0,cnt=m; //cnt即已有节点,H[]即链表表头 memset(H,-1,sizeof H); return; } ```

    2.对输入矩阵扫描,对于有1的点进行插入操作:
    这样我们就只在1与1之间建链,对于X算法中挨个挨个去扩展来找1就要快得多:

    template<typename TP>inline void push(TP r,TP c)
    {
    	U[++cnt]=c,D[cnt]=D[c];
    	U[D[c]]=cnt,D[c]=cnt;
    	row[cnt]=r,col[cnt]=c;
    	if(H[r]!=-1)
    	{
    		R[cnt]=R[H[r]],L[R[H[r]]]=cnt;
    		L[cnt]=H[r],R[H[r]]=cnt;
    	}
    	else H[r]=L[cnt]=R[cnt]=cnt;
    	return;
    }
    

    3.对于最关键的删除/回溯操作
    因为只将有1的点加入链表,所以直接扫就行
    值得一提的是,我们在删除的时候(就是从当前所选列扩展的时候),我们只是把"对应列"有1的行与整个链表“分开”,而这一行元素之间的关系并没有破坏,这样回溯的时候就相当容易,只需反着操作一遍即可。
    代码如下:

    //删除操作:
    template<typename TP>inline void del(TP c)
    {
    	L[R[c]]=L[c],R[L[c]]=R[c];
    	for(TP i=D[c];i!=c;i=D[i])
    		for(TP j=R[i];j!=i;j=R[j])
    			U[D[j]]=U[j],D[U[j]]=D[j];
    	return;
    }
    //回溯操作:
    template<typename TP>inline void reback(TP c)
    {
    	for(TP i=U[c];i!=c;i=U[i])
    		for(TP j=L[i];j!=i;j=L[j])
    			U[D[j]]=D[U[j]]=j;
    	L[R[c]]=R[L[c]]=c;
    	return;
    }
    

    4.接下来就是整个舞蹈链过程中最美的地方:

    template<typename TP>inline bool dancing(TP dep)
    {
    	if(R[0]==0)
    	{
    		tot=dep;
    		return true;
    	}
    	TP c=R[0];del(c);
    	for(TP i=D[c];i!=c;i=D[i])
    	{
    		ans[dep]=row[i];//记录答案
    		for(TP j=R[i];j!=i;j=R[j]) del(col[j]);
    		if(dancing(dep+1)) return true;
    		for(TP j=L[i];j!=i;j=L[j]) ret(col[j]);
    	}
    	ret(c); //这个地方一定要记得回溯!!
    	return false;
    }
    

    例题:

    [LuoguP4929 【模板】舞蹈链(DLX)](https://www.luogu.org/problemnew/show/P4929) 完整代码(建议先自己写一遍再看): ```cpp #include #include #define rg register int #define I inline int #define V inline void #define ll long long #define db double #define B inline bool #define F1(i,a,b) for(rg i=a;i<=b;++i) #define F2(i,a,b) for(rg i=a;i>=b;--i) #define ed putchar(' ') #define bl putchar(' ') using namespace std; #define getchar()(p1==p2&&(p2=(p1=buf)+fread(buf,1,1<<21,stdin),p1==p2)?EOF:*p1++) char buf[1<<21],*p1=buf,*p2=buf; templateV read(TP &x) { TP f=1;x=0;register char c=getchar(); for(;c<'0'||c>'9';c=getchar()) if(c=='-') f=-1; for(;c>='0'&&c<='9';c=getchar()) x=(x<<3)+(x<<1)+(c^'0'); x*=f; } templateV print(TP x) { if(x<0) x=-x,putchar('-'); if(x>9) print(x/10); putchar(x%10+'0'); } const int N=250005; int n,m,a,cnt; struct Dancing_Links_X{ int U[N],D[N],L[N],R[N],col[N],row[N],ans[N],H[N]; V init() { F1(i,0,m) { L[i]=i-1,R[i]=i+1; U[i]=D[i]=i; } L[0]=m,R[m]=0,cnt=m; memset(H,-1,sizeof H); return; } templateV push(TP r,TP c) { U[++cnt]=c,D[cnt]=D[c]; U[D[c]]=cnt,D[c]=cnt; row[cnt]=r,col[cnt]=c; if(H[r]!=-1) { L[cnt]=H[r],R[cnt]=R[H[r]]; L[R[H[r]]]=cnt,R[H[r]]=cnt; } else H[r]=L[cnt]=R[cnt]=cnt; return; } templateV del(TP c) { L[R[c]]=L[c],R[L[c]]=R[c]; for(TP i=D[c];i!=c;i=D[i]) for(TP j=R[i];j!=i;j=R[j]) U[D[j]]=U[j],D[U[j]]=D[j]; return; } templateV reback(TP c) { for(TP i=U[c];i!=c;i=U[i]) for(TP j=L[i];j!=i;j=L[j]) U[D[j]]=D[U[j]]=j; L[R[c]]=R[L[c]]=c; return; } templateB dancing(TP tot) { if(R[0]==0) { F1(i,0,tot-1) print(ans[i]),bl; return true; } TP c=R[0];del(c); for(TP i=D[c];i!=c;i=D[i]) { ans[tot]=row[i]; for(TP j=R[i];j!=i;j=R[j]) del(col[j]); if(dancing(tot+1)) return true; for(TP j=L[i];j!=i;j=L[j]) reback(col[j]); } reback(c); return false; } }DLX; int main() { read(n),read(m),DLX.init(); F1(i,1,n) F1(j,1,m) { read(a); if(a) DLX.push(i,j); } if(!DLX.work(0)) puts("No Solution!"); return 0; } ```

    优化

    当然,如果你完全按照上面这么打一定会~TLE(~~hhh~~)

    这个地方还有一个优化,就是我们在"dancing"过程中,无论用什么方法选择列最终都可以得到解,但有的方法效率明显较高。

    为减少迭代次数,我们可以每次都选取1最少的列。

    进行这个操作我们只需再定义一个数组s[]

    在"push“中加上这样一句:

    ++s[c];
    

    将"del"部分改成:

    U[D[j]]=U[j],D[U[j]]=D[j],--s[col[j]];
    

    将"reback"部分改成:

    U[D[j]]=D[U[j]]=j,++s[col[j]];
    

    将"dancing"部分改成:

    TP c=R[0];
    for(TP i=c;i!=0;i=R[i]) if(s[i]<s[c]) c=i;
    del(c);
    

    DLX应用(解数独问题)(有空再写)

    为什么可以用舞蹈链做

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