Динамическое программирование по профилю — различия между версиями

Материал из Викиконспекты
Перейти к: навигация, поиск
м (rollbackEdits.php mass rollback)
 
(не показано 6 промежуточных версий 4 участников)
Строка 7: Строка 7:
  
 
== Общие принципы ==
 
== Общие принципы ==
Обычно дана таблица и надо посчитать количество замощений этой таблицы некоторыми фигурами (замощение шахматной доски доминошками). Можно перебрать все варианты и выбрать из них удовлетворяющие условию. Но можно воспользоваться методом динамического программирования по профилю и сократить время по одной размерности до линейной. Затем пусть у нас есть правило по которому надо заполнить и для него нам надо <tex>k</tex> предыдущих линий. Тогда можно перебрать все замощения  длиной <tex>k\times n</tex>. В итоге нужно заполнить данную таблицу этими замощениями. Получается, что если перебирать все варианты нам понадобиться <tex>O(a^{nm})</tex> времени, а если перебирать только состояния и переходить по ним нам потребуется <tex>O(a^{kn}m)</tex> времени (где <tex>a</tex> {{---}} количество способов замощения одной клетки).
+
Обычно дана таблица и надо посчитать количество замощений этой таблицы некоторыми фигурами (замощение шахматной доски доминошками). Можно перебрать все варианты и выбрать из них удовлетворяющие условию. Но можно воспользоваться методом динамического программирования по профилю и сократить время по одной размерности до линейной. Затем пусть у нас есть правило по которому надо заполнить и для него нам надо <tex>k</tex> предыдущих линий. Тогда можно перебрать все замощения  длиной <tex>k\times n</tex>. В итоге нужно заполнить данную таблицу этими замощениями. Получается, что если перебирать все варианты нам понадобится <tex>O(a^{nm})</tex> времени, а если перебирать только состояния и переходить по ним нам потребуется <tex>O(a^{kn}m)</tex> времени (где <tex>a</tex> {{---}} количество способов замощения одной клетки).
  
 
== '''Задача о замощении домино''' ==
 
== '''Задача о замощении домино''' ==
Строка 36: Строка 36:
 
==='''Реализация'''===
 
==='''Реализация'''===
 
  <font color=green>// n, m {{---}} размер таблицы </font>  
 
  <font color=green>// n, m {{---}} размер таблицы </font>  
   '''for''' <tex>\mathtt{i} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} \verb|<<| \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}</tex>
+
   '''for''' <tex>\mathtt{i} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} << \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}</tex>
     '''for''' <tex>\mathtt{j} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} \verb|<<| \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}</tex>
+
     '''for''' <tex>\mathtt{j} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} << \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}</tex>
 
         '''if''' можно перейти из <tex>\mathtt{i}</tex> в <tex>\mathtt{j}</tex> профиль  
 
         '''if''' можно перейти из <tex>\mathtt{i}</tex> в <tex>\mathtt{j}</tex> профиль  
 
             <tex>\mathtt{d}[\mathtt{i}][\mathtt{j}] = \mathtt{1}</tex>
 
             <tex>\mathtt{d}[\mathtt{i}][\mathtt{j}] = \mathtt{1}</tex>
Строка 44: Строка 44:
 
  <tex>\mathtt{a}[\mathtt{0}][\mathtt{0}] = \mathtt{1}</tex> <font color=green>// Так как мы можем начать только с профиля где все клетки 0 </font>  
 
  <tex>\mathtt{a}[\mathtt{0}][\mathtt{0}] = \mathtt{1}</tex> <font color=green>// Так как мы можем начать только с профиля где все клетки 0 </font>  
 
  '''for''' <tex>k = \mathtt{1}..\mathtt{m} - \mathtt{1} </tex>
 
  '''for''' <tex>k = \mathtt{1}..\mathtt{m} - \mathtt{1} </tex>
     '''for''' <tex>\mathtt{i} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} \verb|<<| \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}</tex>
+
     '''for''' <tex>\mathtt{i} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} << \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}</tex>
         '''for''' <tex>\mathtt{j} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} \verb|<<| \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}</tex>
+
         '''for''' <tex>\mathtt{j} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} << \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}</tex>
 
      <tex>\mathtt{a}[\mathtt{k}][\mathtt{i}] = \mathtt{a}[\mathtt{k}][\mathtt{i}] + \mathtt{a}[\mathtt{k} - \mathtt{1}][\mathtt{j}]  \cdot  \mathtt{d}[\mathtt{j}][\mathtt{i}]</tex>
 
      <tex>\mathtt{a}[\mathtt{k}][\mathtt{i}] = \mathtt{a}[\mathtt{k}][\mathtt{i}] + \mathtt{a}[\mathtt{k} - \mathtt{1}][\mathtt{j}]  \cdot  \mathtt{d}[\mathtt{j}][\mathtt{i}]</tex>
 
  <tex>\mathtt{ans} = \mathtt{0}</tex>
 
  <tex>\mathtt{ans} = \mathtt{0}</tex>
  '''for''' <tex>\mathtt{i} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} \verb|<<| \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}</tex>
+
  '''for''' <tex>\mathtt{i} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} \lt \lt \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}</tex>
 
     '''if''' можно закончить <tex>\mathtt{i}</tex> профилем
 
     '''if''' можно закончить <tex>\mathtt{i}</tex> профилем
 
         <tex>\mathtt{ans} = \mathtt{ans} + \mathtt{a}[\mathtt{m} - \mathtt{1}][\mathtt{i}]</tex>
 
         <tex>\mathtt{ans} = \mathtt{ans} + \mathtt{a}[\mathtt{m} - \mathtt{1}][\mathtt{i}]</tex>
Строка 82: Строка 82:
 
==='''Реализация'''===
 
==='''Реализация'''===
 
  <font color=green>// n, m {{---}} размер таблицы </font>   
 
  <font color=green>// n, m {{---}} размер таблицы </font>   
  '''for''' <tex>\mathtt{i} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} \verb|<<| \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}</tex>
+
  '''for''' <tex>\mathtt{i} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} << \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}</tex>
     '''for''' <tex>\mathtt{j} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} \verb|<<| \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}</tex>
+
     '''for''' <tex>\mathtt{j} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} << \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}</tex>
 
         '''if''' можно перейти из <tex>\mathtt{i}</tex> в <tex>\mathtt{j}</tex> профиль  
 
         '''if''' можно перейти из <tex>\mathtt{i}</tex> в <tex>\mathtt{j}</tex> профиль  
 
             <tex>\mathtt{d}[\mathtt{i}][\mathtt{j}]\ =\ \mathtt{1}</tex>
 
             <tex>\mathtt{d}[\mathtt{i}][\mathtt{j}]\ =\ \mathtt{1}</tex>
 
  '''else'''
 
  '''else'''
 
      <tex>\mathtt{d}[\mathtt{i}][\mathtt{j}]\ =\ \mathtt{0}</tex>
 
      <tex>\mathtt{d}[\mathtt{i}][\mathtt{j}]\ =\ \mathtt{0}</tex>
  '''for''' <tex>\mathtt{i} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} \verb|<<| \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}</tex>
+
  '''for''' <tex>\mathtt{i} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} << \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}</tex>
 
     <tex>\mathtt{a}[0][\mathtt{i}]\ = \mathtt{1}</tex> <font color=green >// Так как мы можем начать c любого профиля</font>
 
     <tex>\mathtt{a}[0][\mathtt{i}]\ = \mathtt{1}</tex> <font color=green >// Так как мы можем начать c любого профиля</font>
 
  '''for''' <tex>\mathtt{k} = \mathtt{1}.. \mathtt{m} - \mathtt{1} </tex>
 
  '''for''' <tex>\mathtt{k} = \mathtt{1}.. \mathtt{m} - \mathtt{1} </tex>
     '''for'''  <tex>\mathtt{i} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} \verb|<<| \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}</tex>
+
     '''for'''  <tex>\mathtt{i} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} << \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}</tex>
         '''for''' <tex>\mathtt{j} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} \verb|<<| \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}</tex>
+
         '''for''' <tex>\mathtt{j} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} << \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}</tex>
 
      <tex>\mathtt{a}[\mathtt{k}][\mathtt{i}] = \mathtt{a}[\mathtt{k}][\mathtt{i}] + \mathtt{a}[\mathtt{k} - 1][\mathtt{j}] \cdot \mathtt{d}[\mathtt{j}][\mathtt{i}]</tex>   
 
      <tex>\mathtt{a}[\mathtt{k}][\mathtt{i}] = \mathtt{a}[\mathtt{k}][\mathtt{i}] + \mathtt{a}[\mathtt{k} - 1][\mathtt{j}] \cdot \mathtt{d}[\mathtt{j}][\mathtt{i}]</tex>   
 
  <tex>\mathtt{ans} = \mathtt{0}</tex>
 
  <tex>\mathtt{ans} = \mathtt{0}</tex>
  '''for''' <tex>\mathtt{i} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} \verb|<<| \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}</tex>
+
  '''for''' <tex>\mathtt{i} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} << \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}</tex>
 
     <tex>\mathtt{ans} = \mathtt{ans} + \mathtt{a}[\mathtt{m} - \mathtt{1}][\mathtt{i}]</tex> <font color=green>// Так как мы можем закончить любым профилем </font>
 
     <tex>\mathtt{ans} = \mathtt{ans} + \mathtt{a}[\mathtt{m} - \mathtt{1}][\mathtt{i}]</tex> <font color=green>// Так как мы можем закончить любым профилем </font>
 
  '''return''' <tex>\mathtt{ans}</tex>
 
  '''return''' <tex>\mathtt{ans}</tex>
Строка 118: Строка 118:
 
Профилем будет пара <tex>(p, i)</tex>, в <tex>p</tex> будет информация о <tex>n + 1</tex> маленьком квадратике слева от базовой линии, имеющем с ней общие точки; <tex>i</tex> обозначает номер горизонтали, на которой произошел излом. Квадратики профиля будут нумероваться сверху вниз, так что угловой будет иметь номер <tex>i + 1</tex>. Горизонтали будем нумеровать с нуля, так что <tex>i</tex> пробегает значения от <tex>0</tex> до <tex>n - 1</tex>.
 
Профилем будет пара <tex>(p, i)</tex>, в <tex>p</tex> будет информация о <tex>n + 1</tex> маленьком квадратике слева от базовой линии, имеющем с ней общие точки; <tex>i</tex> обозначает номер горизонтали, на которой произошел излом. Квадратики профиля будут нумероваться сверху вниз, так что угловой будет иметь номер <tex>i + 1</tex>. Горизонтали будем нумеровать с нуля, так что <tex>i</tex> пробегает значения от <tex>0</tex> до <tex>n - 1</tex>.
  
Пусть <tex>d[i][j] = 1</tex> если из профиля <tex>pr_1</tex> = <tex>(p_1, i_1)</tex> можно перейти в <tex>pr_2 = (p_2, i_2)</tex>, иначе <tex>0</tex>.
+
Пусть <tex>d[pr_1][pr_2] = 1</tex> если из профиля <tex>pr_1</tex> = <tex>(p_1, i_1)</tex> можно перейти в <tex>pr_2 = (p_2, i_2)</tex>, иначе <tex>0</tex>.
  
 
* Eсли <tex>i < n - 1</tex>, то <tex>i_1 + 1 = i_2</tex>, иначе <tex>i_2 = 0 </tex>;
 
* Eсли <tex>i < n - 1</tex>, то <tex>i_1 + 1 = i_2</tex>, иначе <tex>i_2 = 0 </tex>;
Строка 132: Строка 132:
 
     '''if''' <tex>\mathtt{bit}(\mathtt{p, \mathtt{i} + \mathtt{1}}) == \mathtt{0}</tex>
 
     '''if''' <tex>\mathtt{bit}(\mathtt{p, \mathtt{i} + \mathtt{1}}) == \mathtt{0}</tex>
 
         '''if''' <tex>\mathtt{i} == \mathtt{n} - \mathtt{1}</tex>
 
         '''if''' <tex>\mathtt{i} == \mathtt{n} - \mathtt{1}</tex>
             '''println'''<tex>((\mathtt{p} - (\mathtt{2} \verb|<<| \ \mathtt{i})) \verb|<<| \ \mathtt{1}</tex>, " ", <tex>\mathtt{0})</tex>
+
             '''println'''<tex>((\mathtt{p} - (\mathtt{2} << \ \mathtt{i})) << \ \mathtt{1}</tex>, " ", <tex>\mathtt{0})</tex>
 
         '''else'''
 
         '''else'''
             '''println'''<tex>(\mathtt{p} - (\mathtt{2} \verb|<<| \ \mathtt{i})</tex>, " ", <tex>\mathtt{i} + \mathtt{1})</tex>
+
             '''println'''<tex>(\mathtt{p} - (\mathtt{2} << \ \mathtt{i})</tex>, " ", <tex>\mathtt{i} + \mathtt{1})</tex>
 
     '''else'''  
 
     '''else'''  
 
         '''if''' <tex>\mathtt{bit}(\mathtt{p}, \mathtt{i}) == \mathtt{0}</tex>
 
         '''if''' <tex>\mathtt{bit}(\mathtt{p}, \mathtt{i}) == \mathtt{0}</tex>
 
             '''if''' <tex>\mathtt{i} == \mathtt{n} - \mathtt{1} </tex>
 
             '''if''' <tex>\mathtt{i} == \mathtt{n} - \mathtt{1} </tex>
                 '''println'''<tex>((\mathtt{p} \verb|<<| \ \mathtt{1})</tex>, " ", <tex>\mathtt{0})</tex>
+
                 '''println'''<tex>((\mathtt{p} << \ \mathtt{1})</tex>, " ", <tex>\mathtt{0})</tex>
 
             '''else'''   
 
             '''else'''   
                 '''println'''<tex>(\mathtt{p} + (\mathtt{1} \verb|<<| \ \mathtt{n})</tex>, " ", <tex>(\mathtt{i} + \mathtt{1}) % \mathtt{n})</tex>
+
                 '''println'''<tex>(\mathtt{p} + (\mathtt{1} << \ \mathtt{n})</tex>, " ", <tex>(\mathtt{i} + \mathtt{1}) % \mathtt{n})</tex>
 
     '''if''' <tex>\mathtt{i} < \mathtt{n} - \mathtt{1}</tex> && <tex>\mathtt{bit}(\mathtt{p, \mathtt{i} + \mathtt{2}}) == \mathtt{0}</tex>
 
     '''if''' <tex>\mathtt{i} < \mathtt{n} - \mathtt{1}</tex> && <tex>\mathtt{bit}(\mathtt{p, \mathtt{i} + \mathtt{2}}) == \mathtt{0}</tex>
             '''println'''<tex>(\mathtt{p} + (\mathtt{4} \verb|<<| \ \mathtt{i})</tex>, " ", <tex>\mathtt{i} + \mathtt{1})</tex>
+
             '''println'''<tex>(\mathtt{p} + (\mathtt{4} << \ \mathtt{i})</tex>, " ", <tex>\mathtt{i} + \mathtt{1})</tex>
 
[[Файл:ok.jpg|640px|thumb|left|Возможные переходы]]
 
[[Файл:ok.jpg|640px|thumb|left|Возможные переходы]]
  

Текущая версия на 19:27, 4 сентября 2022

Определение:
Динамическое программирование по профилю (англ. dynamic programming with profile) — способ оптимизации перебора количества вариантов с помощью динамического программирования, когда одно из измерений небольшое.


Определение:
Профиль (англ. profile) — один из столбцов (строк), удовлетворяющий условию задачи. Обычно используется в качестве состояния динамики.


Общие принципы

Обычно дана таблица и надо посчитать количество замощений этой таблицы некоторыми фигурами (замощение шахматной доски доминошками). Можно перебрать все варианты и выбрать из них удовлетворяющие условию. Но можно воспользоваться методом динамического программирования по профилю и сократить время по одной размерности до линейной. Затем пусть у нас есть правило по которому надо заполнить и для него нам надо [math]k[/math] предыдущих линий. Тогда можно перебрать все замощения длиной [math]k\times n[/math]. В итоге нужно заполнить данную таблицу этими замощениями. Получается, что если перебирать все варианты нам понадобится [math]O(a^{nm})[/math] времени, а если перебирать только состояния и переходить по ним нам потребуется [math]O(a^{kn}m)[/math] времени (где [math]a[/math] — количество способов замощения одной клетки).

Задача о замощении домино

Условие

Найти количество способов замостить таблицу [math]n\times m[/math] с помощью доминошек размерами [math]1\times 2,2\times 1[/math].

Решение

Переходы (1-правильный переход, 2,3-неправильные)

Для удобства можно хранить профили в виде двоичных масок. В качестве состояния динамики будем использовать профили размерами [math]n[/math]. В этом профиле [math]1[/math] будет означать, что домино лежит горизонтально и заканчивается на этом столбце, иначе [math]0[/math]. Таких профилей будет [math]2^n[/math]. Теперь проверим из какого профиля в какой можно перейти.

Из профиля [math]i[/math] в профиль [math]j[/math] можно перейти если выполняются условия:

  • Можно положить горизонтальные домино. То есть там где в [math]j[/math] профиле стоит [math]1[/math], в [math]i[/math] профиле должен стоять [math]0[/math].
  • Можно доложить в оставшиеся клетки вертикальные домино. То есть оставшиеся [math]0[/math] в [math]i[/math] профиле должны образовывать четные подстроки.

Пусть [math]d[i][j] = 1[/math] если из профиля [math]i[/math] можно перейти в [math]j[/math]-ый, иначе [math]0[/math].

Пусть так же [math]a[k][i][/math] — количество способов замощения первых [math]k-1[/math] столбцов и заканчивавшийся на [math]i[/math]-ом профиле. Тогда [math]a[k][i]=\displaystyle \sum_{j=0}^{2^n -1} a[k-1][j]\cdot d[j][i][/math]

Ответом будет [math] \sum a[m][i][/math], где [math]i[/math] — профиль, который может быть последним (т.е. все группы из [math]0[/math] имеют четные размеры).

Реализация

// n, m — размер таблицы  
  for [math]\mathtt{i} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} \lt \lt  \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}[/math]
    for [math]\mathtt{j} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} \lt \lt  \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}[/math]
        if можно перейти из [math]\mathtt{i}[/math] в [math]\mathtt{j}[/math] профиль 
           [math]\mathtt{d}[\mathtt{i}][\mathtt{j}] = \mathtt{1}[/math]
	else 
	    [math]\mathtt{d}[\mathtt{i}][\mathtt{j}] = \mathtt{0}[/math]
[math]\mathtt{a}[\mathtt{0}][\mathtt{0}] = \mathtt{1}[/math] // Так как мы можем начать только с профиля где все клетки 0  
for [math]k = \mathtt{1}..\mathtt{m} - \mathtt{1} [/math]
    for [math]\mathtt{i} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} \lt \lt  \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}[/math]
        for [math]\mathtt{j} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} \lt \lt  \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}[/math]
	    [math]\mathtt{a}[\mathtt{k}][\mathtt{i}] = \mathtt{a}[\mathtt{k}][\mathtt{i}] + \mathtt{a}[\mathtt{k} - \mathtt{1}][\mathtt{j}]  \cdot  \mathtt{d}[\mathtt{j}][\mathtt{i}][/math]
[math]\mathtt{ans} = \mathtt{0}[/math]
for [math]\mathtt{i} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} \lt \lt \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}[/math]
    if можно закончить [math]\mathtt{i}[/math] профилем
        [math]\mathtt{ans} = \mathtt{ans} + \mathtt{a}[\mathtt{m} - \mathtt{1}][\mathtt{i}][/math]
return [math]\mathtt{ans}[/math]

Оценка сложности: подсчет [math]d - 2^{2n}[/math] , и подсчет [math]a - 2^{2n}m[/math] в итоге [math]O(2^{2n}m)[/math].

Оценка памяти: [math]O(2^{2n} + 2^{2n}m)[/math], так же можно заметить что в массиве [math]a[/math] для [math]k[/math] состояния нам нужно только [math]k - 1[/math] состояние, при такой реализации нужно будет [math]O(2^{2n})[/math]. Еще можно не считать массив [math]d[/math], а просто каждый раз перепроверять можем ли мы перейти в это состояние в итоге потребуется [math]O(2^{n + 1})[/math] памяти, но нам потребуется больше времени [math]2^{2n}mf(i,j)[/math], где [math]f(i,j)[/math] время проверки возможности перехода из [math]i[/math] в [math]j[/math] равно [math]n[/math] и тогда время получается [math]O(2^{2n}mn)[/math].

Задача о симпатичных узорах

Условие

Дана таблица [math]n\times m[/math], каждая клетка которой может быть окрашена в один из двух цветов: белый или черный. Симпатичным узором называется такая раскраска, при которой не существует квадрата [math]2\times 2[/math], в котором все клетки одного цвета. Требуется найти количество симпатичных узоров для соответствующей таблицы.

Симпатичне узоры.png

Решение

Для удобства можно хранить профиля в виде двоичных масок. В качестве состояния динамики будем использовать профили размера [math]n[/math]. В этом профиле [math]1[/math] будет означать что клетка закрашена в черный цвет, и [math]0[/math] если в белый. Из профиля [math]i[/math] в [math]j[/math]-ый можно перейти если выполнено условие:

  • если поставить [math]i[/math] и [math]j[/math] профиль рядом, то не должно быть квадратов [math]2\times 2[/math] одного цвета

Пусть [math]d[i][j] = 1[/math] если из профиля [math]i[/math] можно перейти в [math]j[/math]-ый, иначе [math]0[/math].

Пусть так же [math]a[k][i][/math] — количество способов раскрашивания первые [math]k-1[/math] столбцов и заканчивавшийся на [math]i[/math]-ом профиле. Тогда [math]a[k][i]=\displaystyle \sum_{j=0}^{2^n -1} a[k-1][j]\cdot d[j][i][/math]

Ответом будет [math] \displaystyle \sum_{i=0}^{2^n -1} a[m][i][/math]

Реализация

// n, m — размер таблицы   
for [math]\mathtt{i} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} \lt \lt  \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}[/math]
    for [math]\mathtt{j} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} \lt \lt  \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}[/math]
        if можно перейти из [math]\mathtt{i}[/math] в [math]\mathtt{j}[/math] профиль 
            [math]\mathtt{d}[\mathtt{i}][\mathtt{j}]\ =\ \mathtt{1}[/math]
	else
	    [math]\mathtt{d}[\mathtt{i}][\mathtt{j}]\ =\ \mathtt{0}[/math]
for [math]\mathtt{i} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} \lt \lt  \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}[/math]
    [math]\mathtt{a}[0][\mathtt{i}]\ = \mathtt{1}[/math] // Так как мы можем начать c любого профиля
for [math]\mathtt{k} = \mathtt{1}.. \mathtt{m} - \mathtt{1} [/math]
    for  [math]\mathtt{i} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} \lt \lt  \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}[/math]
        for [math]\mathtt{j} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} \lt \lt  \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}[/math]
	     [math]\mathtt{a}[\mathtt{k}][\mathtt{i}] = \mathtt{a}[\mathtt{k}][\mathtt{i}] + \mathtt{a}[\mathtt{k} - 1][\mathtt{j}] \cdot \mathtt{d}[\mathtt{j}][\mathtt{i}][/math]  
[math]\mathtt{ans} = \mathtt{0}[/math]
for [math]\mathtt{i} = \mathtt{0}..(\mathtt{1} \lt \lt  \ \mathtt{n}) - \mathtt{1}[/math]
    [math]\mathtt{ans} = \mathtt{ans} + \mathtt{a}[\mathtt{m} - \mathtt{1}][\mathtt{i}][/math] // Так как мы можем закончить любым профилем 
return [math]\mathtt{ans}[/math]

Оценка сложности: подсчет [math]d - 2^{2n}[/math] , и подсчет [math]a - 2^{2n}m[/math] в итоге [math]O(2^{2n}m)[/math].

Оценка памяти: [math]O(2^{2n}+2^{2n}m)[/math], так же можно заметить что в массиве [math]a[/math] для [math]k[/math] состояния нам нужно только [math]k-1[/math] состояние, при такой реализации нужно будет [math]O(2^{2n})[/math]. Еще можно не считать массив [math]d[/math], а просто каждый раз перепроверять можем ли мы перейти в это состояние в итоге потребуется [math]O(2^{n + 1})[/math] памяти, но нам потребуется больше времени [math]2^{2n}mf(i,j)[/math], где [math]f(i,j)[/math] время проверки возможности перехода из [math]i[/math] в [math]j[/math] равно [math]n[/math] и тогда время получается [math]O(2^{2n}mn)[/math].

Динамика по изломанному профилю

Определение:
Изломанный профиль (англ. broken profile) — обобщение прямого профиля на случай, когда обработанным является не целое число столбцов, а некоторое количество столбцов и несколько первых клеток следующего столбца.


Это очень сильная оптимизация динамики по профилю. Идея в том, чтобы добиться как можно меньшего числа переходов (от одного профиля к другому).

Пример

Еще раз используем в качестве примера задачу о замощении. Базовая линия теперь будет ломаной: при прохождении через [math]i[/math]-ю вертикаль сверху вниз, она переходит на предыдущую вертикаль и спускается до низу. Теперь профиль — это не только маска, но ещё и место излома.

Img34.gif

Профилем будет пара [math](p, i)[/math], в [math]p[/math] будет информация о [math]n + 1[/math] маленьком квадратике слева от базовой линии, имеющем с ней общие точки; [math]i[/math] обозначает номер горизонтали, на которой произошел излом. Квадратики профиля будут нумероваться сверху вниз, так что угловой будет иметь номер [math]i + 1[/math]. Горизонтали будем нумеровать с нуля, так что [math]i[/math] пробегает значения от [math]0[/math] до [math]n - 1[/math].

Пусть [math]d[pr_1][pr_2] = 1[/math] если из профиля [math]pr_1[/math] = [math](p_1, i_1)[/math] можно перейти в [math]pr_2 = (p_2, i_2)[/math], иначе [math]0[/math].

  • Eсли [math]i \lt n - 1[/math], то [math]i_1 + 1 = i_2[/math], иначе [math]i_2 = 0 [/math];
  • Mожно так положить доминошку, накрывающую квадратик с номером [math]i + 1[/math], что после этого в [math]p_2[/math] будет храниться в точности информация о соответствующих квадратиках.

Проще говоря, доминошку можно класть только двумя способами — как показано на рисунках (на квадратик с номером [math]i + 1[/math] можно положить не более одной вертикальной и горизонтальной доминошки). То, что потом получается после сдвига вниз излома, и будет новым профилем. Заметим, что если клетка [math]i + 1[/math] занята, то доминошку уже не надо класть, и [math](p, i)[/math] логично отождествить с [math](p, i + 1)[/math]. Условно пишется — "[math]i + 1[/math]", однако, нужно всегда иметь в виду возможность [math]i = n - 1[/math].

Легко заметить, что количество профилей увеличилось в [math]2n[/math] раз (добавилось число от [math]1[/math] до [math]n[/math] и еще один бит). Но зато количество переходов резко сократилось с [math]2^n[/math] до [math]2[/math].

//Для профиля (p, i) выводятся все переходы из него (нумерация горизонталей начинается с нуля и i = 0..n - 1)
// Функция bit(x,i), возвращающая единицу или ноль или i-й бит в двоичной записи числа x
print_all_links([math]\mathtt{p}[/math], [math]\mathtt{i}[/math]):
    if [math]\mathtt{bit}(\mathtt{p, \mathtt{i} + \mathtt{1}}) == \mathtt{0}[/math]
        if [math]\mathtt{i} == \mathtt{n} - \mathtt{1}[/math]
            println[math]((\mathtt{p} - (\mathtt{2} \lt \lt  \ \mathtt{i})) \lt \lt  \ \mathtt{1}[/math], " ", [math]\mathtt{0})[/math]
        else
            println[math](\mathtt{p} - (\mathtt{2} \lt \lt  \ \mathtt{i})[/math], " ", [math]\mathtt{i} + \mathtt{1})[/math]
    else 
        if [math]\mathtt{bit}(\mathtt{p}, \mathtt{i}) == \mathtt{0}[/math]
            if [math]\mathtt{i} == \mathtt{n} - \mathtt{1} [/math]
               println[math]((\mathtt{p} \lt \lt  \ \mathtt{1})[/math], " ", [math]\mathtt{0})[/math]
            else   
               println[math](\mathtt{p} + (\mathtt{1} \lt \lt  \ \mathtt{n})[/math], " ", [math](\mathtt{i} + \mathtt{1}) % \mathtt{n})[/math]
    if [math]\mathtt{i} \lt  \mathtt{n} - \mathtt{1}[/math] && [math]\mathtt{bit}(\mathtt{p, \mathtt{i} + \mathtt{2}}) == \mathtt{0}[/math]
            println[math](\mathtt{p} + (\mathtt{4} \lt \lt  \ \mathtt{i})[/math], " ", [math]\mathtt{i} + \mathtt{1})[/math]
Возможные переходы

При такой реализации существует немало профилей только с одним переходом (например, у которых [math](i + 1)[/math]-й бит равен единице). Отождествим все профили с один переходом с теми, кто их них получается. Это будет выглядеть так: пусть [math]pr_2[/math] (и только он) получается из [math]pr_1[/math], который, в свою очередь, получается из [math]pr_0[/math]. Тогда имеются такие соотношения: [math]d[pr_0, pr_1] = 1[/math], [math]d[pr_1, pr_2] = 1[/math]. Отождествить [math]pr_1[/math] и [math]pr_2[/math] — это, по сути, заменить эти два соотношение на одно, то есть теперь [math]d[pr_0, pr_1] = 0[/math] и [math]d[pr_1, pr_2] = 0[/math], но [math]d[pr_0, pr_2] = 1[/math], и так далее.

Таким образом, возможно сокращение профилей не менее чем вдвое. Хотя можно совершить дальнейшие оптимизации.

В итоге асимптотика составляет [math]O(2^nnm)[/math]. Это доказывает, что данный метод значительно лучше простого способа подсчёта динамики.

См. также

Источники информации