九尾问题可以简化为最短路径问题。
九尾问题如下。九枚硬币被放置在一个三乘三的矩阵中,一些面朝上,一些面朝下。合法的举动是取出一枚正面朝上的硬币,并将其连同与其相邻的硬币一起翻转(这不包括对角相邻的硬币)。您的任务是找到导致所有硬币面朝下的最少移动次数。例如,从九个硬币开始,如下图(a)所示。当你翻转最后一排的第二枚硬币后,九枚硬币现在如下图(b)所示。翻转第一排第二枚硬币后,九枚硬币全部面朝下,如下图(c)所示。

我们将编写一个程序,提示用户输入九个硬币的初始状态并显示解决方案,如下面的示例运行所示。
输入前九个硬币hs和ts:hhhttthhh
抛硬币的步骤是
哈哈哈
tt
哈哈哈
哈哈哈
tht
tt
tt
tt
tt
九个硬币的每个状态代表图中的一个节点。例如,上图中的三个状态对应图中的三个节点。为了方便起见,我们使用 3 * 3 矩阵来表示所有节点,并使用 0 表示头部,1 表示尾部。由于有 9 个单元,每个单元要么是 0 要么是 1,所以总共有 2^9 (512) 个节点,标记为 0、1、 。 。 。 、511,如下图

如果存在从u到v的合法移动,我们将从节点v分配一条边到u。下图显示了部分图表。请注意,从511到47有一条边,因为您可以翻转节点47中的单元格以成为节点511。

下图中最后一个节点代表九个面朝下的硬币的状态。为了方便起见,我们将最后一个节点称为目标节点。因此,目标节点被标记为511。假设九尾问题的初始状态对应节点s。问题简化为寻找从节点s到目标节点的最短路径,相当于在以目标节点为根的bfs树中寻找从节点s到目标节点的最短路径。

现在的任务是构建一个由 512 个节点组成的图,标记为0、1、2、。 。 。 ,511,以及节点之间的边。创建图后,获取以节点511为根的 bfs 树。从bfs树中,你可以找到从根到任意顶点的最短路径。我们将创建一个名为ninetailmodel的类,其中包含获取从目标节点到任何其他节点的最短路径的方法。类uml图如下图所示。

在视觉上,节点以字母 h 和 t 的 3 * 3 矩阵表示。在我们的程序中,我们使用九个字符的一维数组来表示一个节点。例如,下图中顶点 1 的节点表示为 {'h', 'h', 'h', 'h', 'h', 'h ', 'h', 'h', 't'} 在数组中。

getedges() 方法返回edge 对象的列表。
getnode(index) 方法返回指定索引的节点。例如,getnode(0) 返回包含 9 个 h 的节点。 getnode(511) 返回包含 9 个 t 的节点。 getindex(node) 方法返回节点的索引。
请注意,数据字段tree被定义为受保护,以便可以从weightedninetail子类访问它。
getflippednode(char[] node, intposition)方法翻转指定位置及其相邻位置的节点。该方法返回新节点的索引。
position是0到8之间的值,指向节点中的一枚币,如下图

56,在0位置翻转,就会得到节点51。如果你在位置1翻转节点56,你将得到节点47.

方法翻转指定行和列处的节点。例如,如果翻转第 0 行 0 处的节点 56,则新节点为 408。如果翻转行2和列0的节点56,新节点是30. 下面的代码展示了 ninetailmodel.java 的源代码。
import java.util.*;
public class ninetailmodel {
public final static int number_of_nodes = 512;
protected abstractgraph<integer>.tree tree; // define a tree
/** construct a model */
public ninetailmodel() {
// create edges
list<abstractgraph.edge> edges = getedges();
// create a graph
unweightedgraph<integer> graph = new unweightedgraph<>(edges, number_of_nodes);
// obtain a bsf tree rooted at the target node
tree = graph.bfs(511);
}
/** create all edges for the graph */
private list<abstractgraph.edge> getedges() {
list<abstractgraph.edge> edges = new arraylist<>(); // store edges
for (int u = 0; u < number_of_nodes; u++) {
for (int k = 0; k < 9; k++) {
char[] node = getnode(u); // get the node for vertex u
if (node[k] == 'h') {
int v = getflippednode(node, k);
// add edge (v, u) for a legal move from node u to node v
edges.add(new abstractgraph.edge(v, u));
}
}
}
return edges;
}
public static int getflippednode(char[] node, int position) {
int row = position / 3;
int column = position % 3;
flipacell(node, row, column);
flipacell(node, row - 1, column);
flipacell(node, row + 1, column);
flipacell(node, row, column - 1);
flipacell(node, row, column + 1);
return getindex(node);
}
public static void flipacell(char[] node, int row, int column) {
if (row >= 0 && row <= 2 && column >= 0 && column <= 2) {
// within the boundary
if (node[row * 3 + column] == 'h')
node[row * 3 + column] = 't'; // flip from h to t
else
node[row * 3 + column] = 'h'; // flip from t to h
}
}
public static int getindex(char[] node) {
int result = 0;
for (int i = 0; i < 9; i++)
if (node[i] == 't')
result = result * 2 + 1;
else
result = result * 2 + 0;
return result;
}
public static char[] getnode(int index) {
char[] result = new char[9];
for (int i = 0; i < 9; i++) {
int digit = index % 2;
if (digit == 0)
result[8 - i] = 'h';
else
result[8 - i] = 't';
index = index / 2;
}
return result;
}
public list<integer> getshortestpath(int nodeindex) {
return tree.getpath(nodeindex);
}
public static void printnode(char[] node) {
for (int i = 0; i < 9; i++)
if (i % 3 != 2)
system.out.print(node[i]);
else
system.out.println(node[i]);
system.out.println();
}
}
为根的bfs树(第17行)。 为了创建边,
getedges方法(第21-37行)检查每个节点u以查看它是否可以翻转到另一个节点v。如果是这样,请将 (v, u) 添加到 edge 列表(第 31 行)。 getflippednode(node,position) 方法通过翻转节点中的 h 单元及其邻居来查找翻转节点(第 43-47 行)。 flipacell(node, row, column) 方法实际上翻转节点中的 h 单元格及其邻居(第 52-60 行)。 getindex(node)
方法的实现方式与将二进制数转换为十进制数相同(第62-72行)。getnode(index) 方法返回一个由字母 h 和 t 组成的节点(第 74-87 行)。 getshortestpath(nodeindex)
方法调用getpath(nodeindex)
获取从指定节点到目标节点的最短路径中的顶点的方法
(第 89-91 行).
printnode(node)
方法在控制台上显示一个节点(第 93-101 行)。
下面的代码给出了一个程序,提示用户输入初始节点并显示到达目标节点的步骤。
import java.util.Scanner;
public class NineTail {
public static void main(String[] args) {
// Prompt the user to enter nine coins' Hs and Ts
System.out.print("Enter the initial nine coins Hs and Ts: ");
Scanner input = new Scanner(System.in);
String s = input.nextLine();
char[] initialNode = s.toCharArray();
NineTailModel model = new NineTailModel();
java.util.List<Integer> path = model.getShortestPath(NineTailModel.getIndex(initialNode));
System.out.println("The steps to flip the coins are ");
for (int i = 0; i < path.size(); i++)
NineTailModel.printNode(NineTailModel.getNode(path.get(i).intValue()));
}
}
h
s 和
s 的组合作为字符串,从字符串中获取字符数组(第 9 行),创建一个图形模型获取bfs树(第11行),获取从初始节点到的最短路径 目标节点(第 12-13 行),并显示路径中的节点(第 16-18 行)。
以上就是案例研究:九尾问题的详细内容,更多请关注php中文网其它相关文章!
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