首页 > 技术文章 > 编程之美 4.9数独知多少

Linkabox 2013-10-10 12:18 原文

问题:一共有多少种不同的数独解答呢?其中有多少种是独立的解答呢?

如果用一个字符串来表示各种数独,如何保证一一对应的基础上,让字符串的长度最短?

分析:

首先要明确问题,独立的解答到底是什么?如何定义“独立”这种关系?

如果任意交换数独的两个数字,仍然是一个合法的数独。

那么我们可以定义:如果两个数独解答可以通过这种交换得到,则它们就不是独立的。

假设不考虑独立的情况下,一个空的数独有N个解答,那么独立的解答应该为 N/( 9! )。

问题一解题思路:一种用探索(heuristic)的方法估计解答总数

原理:将数独划分为9块,B1、B2….B8、B9

块行解:一个解使得“块行”内每行每块恰好包含1到9

块列解:一个解使得“块列”内每列每块恰好包含1到9

标准型:

1 2 3
4 5 6
7 8 9

下面讨论基于B1为标准型的“块行解”,假设有N个,则“块行解”总共有9!*N个。

以下的B2和B3第一行由B1的第二或第三行构成称为“纯粹型”

1 2 3 {4 5 6} {7 8 9}
4 5 6 {7 8 9} {1 2 3}
7 8 9 {1 2 3} {4 5 6}

每一行的3个元素可以任意互换((3!)^6),可以任意放入6行中的一行,并且B2和B3位置可以交换。

所以共有“纯粹型”:2*(3!)^6。

以下的B2和B3第一行由B1的第二或第三行混合构成称为“混合型”

1 2 3 {4 5 7} {6 8 9}
4 5 6 {8 9 4} {7 b c}
7 8 9 {6 b c} {4 5 a}

其中a、b、c表示1、2、3所在位置,a可以是1、2、3中任意一个数;(3)

每行的3个元素可以任意互换;((3!)^6)

B2和B3位置可以交换;(2)

此外B2和B3的第一行共有以下9种可能:(9)

{4,5,7}|{6,8,9}

{4,5,8}|{6,7,9}

……

所以共有“混合型”:3*2*9*(3!)^6

基于B1为标准型的“块行解”有:2*(3!)^6+3*2*9*(3!)^6

总的“块行解”有:R=9!*(2*(3!)^6+3*2*9*(3!)^6)=948 109 639 680

同理得出“块列解”总数与“块行解”一致,L=948 109 639 680

设每个子块都由1到9填充的解共有G=(9!)^9

九宫格内有3个“块行”M=R^3

设满足“块行”限制在满足“子块”限制所占比例为k=M/G

同理满足“块列”限制在满足“子块”限制所占比例也是一样。

假设这两个比例相互独立,同时满足“块行列”限制在满足“子块”限制所占比例约为k^2,

最后可以估算出大约总数为G*(k^2)=6.6571*10^21种。

精确结果为6.671*10^21种,已经相当接近了。

参考文献:http://www.afjarvis.staff.shef.ac.uk/sudoku/felgenhauer_jarvis_spec1.pdf

问题二解题思路:

1.将数独所有数字一一保存,需要81byte,进一步可以压缩为40.5byte。

2.时间换空间,只保存8*8方阵的64个数字,其余17个从这64个数推导出来。这样需要32byte。

3.因为已知数独总数约为6.7*10^21个,所有可以用k bit表示每一个不同的数独,k>73,这样只需约8byte,不过这样译码的算法会变得复杂很多。

扩展问题:

如何编码表示一个不完全的数独?

我想到的是稀疏矩阵,大家有更好的方法吗!

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