【数学】【网格】【状态压缩】782 变为棋盘

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数学 网格 状态压缩

LeetCode:782 变为棋盘

一个 n x n 的二维网络 board 仅由 0 和 1 组成 。每次移动，你能任意交换两列或是两行的位置。
返回 将这个矩阵变为 “棋盘” 所需的最小移动次数 。如果不存在可行的变换，输出 -1。
“棋盘” 是指任意一格的上下左右四个方向的值均与本身不同的矩阵。
示例 1:

输入: board = [[0,1,1,0],[0,1,1,0],[1,0,0,1],[1,0,0,1]]
输出: 2
解释:一种可行的变换方式如下，从左到右：
第一次移动交换了第一列和第二列。
第二次移动交换了第二行和第三行。
示例 2:

输入: board = [[0, 1], [1, 0]]
输出: 0
解释: 注意左上角的格值为0时也是合法的棋盘，也是合法的棋盘.
示例 3:

输入: board = [[1, 0], [1, 0]]
输出: -1
解释: 任意的变换都不能使这个输入变为合法的棋盘。

提示：
n == board.length
n == board[i].length
2 <= n <= 30
board[i][j] 将只包含 0或 1

数学

分两步：

一，调整列。
col0记录列首元素为0的列下标，col1记录列首元素为1的列下标。 col0(col1)中的各列必须完全相同,col0和col1相同行的元素必须不同。
列调整后，假定第一列是：{i1,i2,i3,i4…} 则第二列是$$i1\oplus 1,i2\oplus 1,i3\oplus 1,i4\oplus 1$$ ,第三列，第五列$\cdots$和第一列相同，第四列，第六列$\cdots$ 和第二列相同。
c0的数量l0 = n/2,c1的数量l1 = n - l0。

列号从0开始,记录c0在各列在偶数列的数量d0,记录c1在各列在偶数列的数量d1。
如果n是奇数。
$$\{\begin{array}{ll}调整列次数为d0,c0为调整后首列& l0=l1+1\\ 调整列次数为d1,c1为调整后首列& l1=l0+1\\ 非法& other\end{array}$$
如果n是偶数,调整的次数 = min(d0,d1)，c0和c1为首列，不影响后续结果。

二，调整行。
各列调整后，各行一定是{0,1,0,1$\cdots$} 或 { 1,0,1,1$\cdots$}，且数量相等。
调整后首列首元素的出现次数f0 ,必须等于 n - n/2。
行数从0开始。e0 为首（第0个）元素不在偶数行的数量，e1为第1个元素不在偶数行的数量。
如果n是偶数，调整行的次数：min(n/2-e0,m/2-e1)
如果n是奇数，调整行的次数：f0 - e0。

代码

125行代码，出错三次后，才搞定。强烈不推荐，细节太多。

核心代码

class Solution {
    
    
public:
	int movesToChessboard(vector<vector<int>>& board) {
    
    
		const int n = board.size();
		vector<int> col0, col1;
		for (int c = 0; c < n; c++)
		{
    
    
			if (board[0][c])
			{
    
    
				col1.emplace_back(c);
			}
			else
			{
    
    
				col0.emplace_back(c);
			}
		}
		for (int inx :col0)
		{
    
    
			if (!SameCol(board, col0.front(), inx))
			{
    
    
				return -1;
			}
		}
		for (int inx : col1)
		{
    
    
			if (!SameCol(board, col1.front(), inx))
			{
    
    
				return -1;
			}
		}
		if (abs((int)col0.size() - (int)col1.size()) > 1 )
		{
    
    
			return -1;
		}
		for (int r = 0; r < n; r++)
		{
    
    
			if (1 != board[r][col0.front()] + board[r][col1.front()])
			{
    
    
				return -1;
			}
		}
		
		int d0 = EvenCnt(col0);
		int d1 = EvenCnt(col1);
		int iRet = 0,e0=0,e1=0,f0=0;
		auto Tmp = [&](int col)
		{
    
    
			e0 = CntByValue(board, col, board[0][col], 2);
			e1 = CntByValue(board, col, board[0][col] ^ 1, 2);
			f0 = CntByValue(board, col, board[0][col], 1);
		};

		if (n & 1)
		{
    
    
			int iFirstCol = 0;
			if (col0.size() == col1.size() + 1)
			{
    
    
				iRet += (n/2+1-d0);
				iFirstCol = col0.front();				
			}
			else if (col1.size() == col0.size() + 1)
			{
    
    
				iRet += (n/2+1-d1);				
				iFirstCol = col1.front();
			}
			else
			{
    
    
				return -1;
			}	
			Tmp(iFirstCol);
			if (f0 == n / 2 + 1)
			{
    
    
				iRet += (n/2+1-e0);
			}
			else if (f0 == n / 2)
			{
    
    
				iRet += (n/2+1-e1);
			}
			else
			{
    
    
				return -1;
			}
		}
		else 
		{
    
    		
			Tmp(0);
			if (f0 != (n - n / 2))
			{
    
    
				return -1;
			}
			iRet += min(n / 2 - d0, n / 2 - d1);	
			iRet += min(n / 2 - e0, n/2 - e1);
		}
		return iRet;
	}
	int EvenCnt(const vector<int>& indexs)const
	{
    
    
		int iRet = 0;
		for (const auto& inx : indexs)
		{
    
    
			iRet += (0 == inx % 2);
		}
		return iRet;
	}
	bool SameCol(vector<vector<int>>& board, int col1, int col2)
	{
    
    
		for (int r = 0; r < board.size(); r++)
		{
    
    
			if (board[r][col1] != board[r][col2])
			{
    
    
				return false;
			}
		}
		return true;
	}
	int CntByValue(vector<vector<int>>& board, int col,int value ,int setp=2)
	{
    
    //指定值在偶数行的数量
		int iRet = 0;
		for (int r = 0; r < board.size(); r += setp)
		{
    
    
			iRet += (board[r][col] == value);
		}
		return iRet;
	}
};

测试用例

template<class T,class T2>
void Assert(const T& t1, const T2& t2)
{
    
    
	assert(t1 == t2);
}

template<class T>
void Assert(const vector<T>& v1, const vector<T>& v2)
{
    
    
	if (v1.size() != v2.size())
	{
    
    
		assert(false);
		return;
	}
	for (int i = 0; i < v1.size(); i++)
	{
    
    
		Assert(v1[i], v2[i]);
	}

}

int main()
{
    
    
	vector<vector<int>> board;	
	{
    
    
		Solution sln;
		board = {
    
     {
    
    1,1,1,0},{
    
    1,1,1,0},{
    
    0,0,0,1},{
    
    0,0,0,1} };
		auto res = sln.movesToChessboard(board);
		Assert(-1, res);
	}
	{
    
    
		Solution sln;
		board = {
    
     {
    
    1,1,1,1},{
    
    1,1,1,1},{
    
    0,0,0,0},{
    
    0,0,0,0} };
		auto res = sln.movesToChessboard(board);
		Assert(-1, res);
	}
	{
    
    
		Solution sln;
		board = {
    
     {
    
    1, 1, 0}, {
    
     0,0,1 }, {
    
     0,0,1 }};
		auto res = sln.movesToChessboard(board);
		Assert(2, res);
	}
	{
    
    
		Solution sln;
		board = {
    
     {
    
    0,1,1,0},{
    
    0,1,1,0},{
    
    1,0,0,1},{
    
    1,0,0,1} };
		auto res = sln.movesToChessboard(board);
		Assert(2, res);
	}
	{
    
    
		Solution sln;
		board = {
    
     {
    
    0, 1}, {
    
    1, 0} };
		auto res = sln.movesToChessboard(board);
		Assert(0, res);
	}
	{
    
    
		Solution sln;
		board = {
    
     {
    
    1, 0}, {
    
    1, 0} };
		auto res = sln.movesToChessboard(board);
		Assert(-1, res);
	}
}

2023年4月版

用状态压缩，可以大幅降低难道。

class Solution {
public:
int movesToChessboard(vector<vector>& board) {
m_iN = board.size();
const int iRowMask = MaskRow(board[0]);
const int iColMask = MaskCol(board,0);
int iForRevrver = (1 << m_iN) - 1;
const int iRevRowMask = iRowMask ^ iForRevrver;
const int iRevColMask = iColMask ^ iForRevrver;
int iRowCnt = 0, iColCnt = 0;
for (int i = 0; i < m_iN; i++)
{
const int iCurRowMask = MaskRow(board[i]);
if ((iCurRowMask != iRowMask) && (iCurRowMask != iRevRowMask))
{
return -1;
}
iRowCnt += (iCurRowMask == iRowMask);
const int iCurColMask = MaskCol(board, i);
if ((iCurColMask != iColMask) && (iCurColMask != iRevColMask))
{
return -1;
}
iColCnt += (iCurColMask == iColMask);
}
int iMoveRow = GetMove(iRowMask, iRowCnt);
int iMoveCol = GetMove(iColMask, iColCnt);
if ((-1 == iMoveRow) || (-1 == iMoveCol))
{
return -1;
}
return iMoveRow + iMoveCol;
}
int GetMove(int iMask, int iCnt)
{
const int iOneBitNum = bitcount(iMask);
if (m_iN & 1)
{//奇数
if (1 != abs(m_iN - iCnt * 2))
{
return -1;
}
if (1 != abs(m_iN - iOneBitNum * 2))
{
return -1;
}
if (iOneBitNum == m_iN / 2)
{//奇数位0，偶数位为1
return m_iN / 2 - bitcount(iMask & 0xAAAAAAAA);
}
else
{
return m_iN / 2 + 1 - bitcount(iMask & 0x55555555);
}
}
else
{
if (iCnt != m_iN / 2)
{
return -1;
}
if (iOneBitNum != m_iN / 2)
{
return -1;
}
//最低位编号为1，次最低为编号为2… 奇数位为1，需要移动的次数
int iMove1 = m_iN / 2 - bitcount(iMask & 0x55555555);
//偶数为为1
int iMove2 = m_iN / 2 - bitcount(iMask & 0xAAAAAAAA);
return min(iMove1, iMove2);
}
}
int MaskRow(const vector& vRow)
{
int iRet = 0;
for (int i = 0; i < m_iN; i++)
{
if (vRow[i])
{
iRet |= (1 << i);
}
}
return iRet;
}
int MaskCol(const vector<vector>& board, int iCol)
{
int iRet = 0;
for (int i = 0; i < m_iN; i++)
{
if (board[i][iCol])
{
iRet |= (1 << i);
}
}
return iRet;
}
int m_iN;
};

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测试环境

操作系统：win7 开发环境： VS2019 C++17
或者 操作系统：win10 开发环境： VS2022 **C+

+17**
如无特殊说明，本算法用**C++**实现。