2023-05-14

AtCoder ABC 301 E - Pac-Takahashi (青色, 475 点)

AtCoder ABC-E 青色diff TSP DP bitDP データ構造テク：前処理二次元グリッド迷路鍵やアイテムを題材とした問題操作をK回まで行える最大スコア指数探索系問題グラフ上にチェックポイントのある問題【問題集】最短路問題グラフ【問題集】DPのステップアップ解空間:O(N!)通りの選択肢 AtCoder475点壁マス最適化問題

前処理して頂点数を減らしたグラフ上で TSP！！！　ICPC ではすごくよく見るパターンですね！

問題へのリンク

問題概要

$H \times W$ サイズのグリッドがある。各マスは

壁マス：'#'
通路マス：'.'
お菓子マス：'o' (18 個以内であることが保証される)
スタートマス：'S'
ゴールマス：'G'

のいずれかである。

高橋君がスタートマスにいるので、壁以外のマスのみを通って、 $T$ 回以内の移動でゴールマスに行きたい。

それが可能な場合、なるべく多くのお菓子マスを通りたい (同じマスを 2 回以上通っても 1 回とカウント)。 $T$ 回以内の移動で通れるお菓子マスの個数の最大値を求めよ。

制約

$1 \le H, W \le 300$
$1 \le T \le 2 \times 10^{6}$

考えたこと

さて、「お菓子マスが 18 個以下」という制約がいかにもヒントである！！！　この制約は「bit DP してください」と我々に訴えかけている。

しかも、実行制約時間が 5 sec である。制約だけでなく、実行制約時間も結構ヒントになることがあるので、見るのもいいと思う！　2 sec よりも長めの実行制約時間が設定されているときは、指数時間アルゴリズムだったり、実装が重かったり、重いデータ構造を使ったりすることが想定される傾向がある。この点からも、bit DP で解けそうだという確信が高まる。

スタート・ゴール・お菓子のみでグラフを作る

これは ICPC では本当によく見かける手筋である。グリッドマスは $HW$ 個あるのだが、本質的には、スタート・ゴール・お菓子のみ考えれば十分だ。

そこで、スタート・ゴール・お菓子のみでグラフを作ることにする。このグラフの頂点数を $N$ とすると、 $N \le 20$ となるので、とても頂点数の小さいグラフと言える。

グラフの各辺には、重みとして「その頂点に対応するマス間の最短距離」を乗せることにする。これは、各スタート・ゴール・お菓子マスを始点とした BFS などで求められる。

このグラフを作ってからは、いわゆる TSP (巡回セールスマン問題) のような問題になる。

TSP は「すべての頂点を回ってゴールにつくまでの最短時間を求める」
今回は「 $T$ 秒以内にできるだけ多くの頂点を回ってゴールへつくようにする」

ということで微妙に違うようだけど、ほとんど一緒だ。

bit DP

TSP を解く bit DP では、次の配列 dp を考える。今回の問題も同じ配列 dp を考えて解くことができる。

dp[S][v] ← すでに訪れた頂点集合が $S$ であり、最後に訪れた頂点が $v$ であるような状態に至るまでの最短時間

この配列 dp が求められたならば、今回の問題の答えは次のように求められる。

「dp[S][g] <= T であるような集合 $S$ の要素数の最大値を求める」

ここで、スタートマスを表す頂点番号を $s$ とし、ゴールマスを表す頂点番号を $g$ とする。なお、TSP そのものであれば、dp[(1 << N) - 1][g] を答えることになる。

これ以降、DP の遷移式を具体的に考えていく。集合 $S$ はビットで記述することにする。

DP の初期条件

まず、初期条件を考えよう。スタート頂点 $s$ のみを訪れている状態の集合は 1 << s と書けるので、初期条件は次のように書ける。

dp[(1 << s)][s] = 0

DP の遷移式

次に DP の遷移式を考える。すでに訪れた頂点集合が $S$ であり、最後に訪れた頂点が $v$ であるような状態 (その状態にするまでの最短時間は dp[S][v]) に対して、次に頂点 $v_2$ に行こうとする場面を考える。

このとき、頂点 $v_2$ へ移動すると

頂点集合は $S$ から、 $S \cup$ { $v_{2}$ } へと変更される
最後に訪れた頂点は $v_2$ となる。

なお、集合 $S$ を表すビットを bit とすると、新たな頂点集合を表すビットは bit | (1 << v2) と書ける。よって、遷移式は次のように書ける。ここで、頂点 $v, v_{2}$ 間の距離を G[v][v2] と表すことにする。また、ここでは「配る DP」の形で書いている。

dp[bit | (1 << v2)][v2] = min(dp[bit | (1 << v2)][v2], dp[bit][v] + G[v][v2]);

以上の DP を実装すれば AC になる。最後に計算量を見積もる ( $N$ はスタートマス・ゴールマス・お菓子マスの個数)。

グリッドから、スタート・ゴール・お菓子のみのグラフを作る：計算量は $O(NHW)$
bit DP をして解く：計算量は $O(2^{N} N^{2} )$

よって、全体の計算量は $O(NHW + 2^{N} N^{2})$ となる。

コード

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
using pint = pair<int,int>;
const vector<int> dx = {1, 0, -1, 0};
const vector<int> dy = {0, 1, 0, -1};

// 前処理：マス (si, sj) をスタートとして BFS
vector<vector<int>> bfs(const vector<string> &A, int sx, int sy) {
    int H = A.size(), W = A[0].size();
    vector<vector<int>> dist(H, vector<int>(W, -1));
    queue<pint> que;
    
    dist[sx][sy] = 0;
    que.push({sx, sy});
    while (!que.empty()) {
        auto [x, y] = que.front();
        que.pop();
        for (int dir = 0; dir < 4; ++dir) {
            int x2 = x + dx[dir], y2 = y + dy[dir];
            if (x2 < 0 || x2 >= H || y2 < 0 || y2 >= W) continue;
            if (A[x2][y2] == '#') continue;
            if (dist[x2][y2] == -1) {
                dist[x2][y2] = dist[x][y] + 1;
                que.push({x2, y2});
            }
        }
    }
    return dist;
}

const long long INF = 1LL<<60;
int main() {
    long long H, W, T;
    cin >> H >> W >> T;
    vector<string> A(H);
    for (int i = 0; i < H; ++i) cin >> A[i];
    
    // S, G, お菓子マスを抽出して、距離グラフを作る
    vector<pint> nodes;
    int start = -1, goal = -1;
    for (int i = 0; i < H; ++i) {
        for (int j = 0; j < W; ++j) {
            if (A[i][j] == 'S') start = nodes.size(), nodes.emplace_back(i, j);
            else if (A[i][j] == 'G') goal = nodes.size(), nodes.emplace_back(i, j);
            else if (A[i][j] == 'o') nodes.emplace_back(i, j);
        }
    }
    int N = nodes.size();
    vector<vector<long long>> G(N, vector<long long>(N, INF));
    for (int i = 0; i < N; ++i) {
        auto [x, y] = nodes[i];
        const auto &dist = bfs(A, x, y);
        for (int j = 0; j < N; ++j) {
            auto [x2, y2] = nodes[j];
            if (dist[x2][y2] != -1) G[i][j] = dist[x2][y2];
        }
    }
    
    // bit DP: dp[S][v] := 頂点集合 S をすべて通って、最後にいる頂点が v であるときの、最小コスト
    vector<vector<long long>> dp(1<<N, vector<long long>(N, INF));
    dp[1<<start][start] = 0;
    for (int bit = 0; bit < (1<<N); ++bit) {
        for (int v = 0; v < N; ++v) {
            for (int v2 = 0; v2 < N; ++v2) {
                int nbit = bit | (1<<v2);
                dp[nbit][v2] = min(dp[nbit][v2], dp[bit][v] + G[v][v2]);
            }
        }
    }
    
    // dp[bit][goal] <= T となる bit について、最多お菓子数を求める
    int res = -1;
    for (int bit = 0; bit < (1<<N); ++bit) {
        if (dp[bit][goal] <= T) res = max(res, __builtin_popcount(bit) - 2);
    }
    cout << res << endl;
}

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