LCP 13. 寻宝
我们得到了一副藏宝图,藏宝图显示,在一个迷宫中存在着未被世人发现的宝藏。
迷宫是一个二维矩阵,用一个字符串数组表示。它标识了唯一的入口(用 'S' 表示),和唯一的宝藏地点(用 'T' 表示)。但是,宝藏被一些隐蔽的机关保护了起来。在地图上有若干个机关点(用 'M' 表示),只有所有机关均被触发,才可以拿到宝藏。
要保持机关的触发,需要把一个重石放在上面。迷宫中有若干个石堆(用 'O' 表示),每个石堆都有无限个足够触发机关的重石。但是由于石头太重,我们一次只能搬一个石头到指定地点。
迷宫中同样有一些墙壁(用 '#' 表示),我们不能走入墙壁。剩余的都是可随意通行的点(用 '.' 表示)。石堆、机关、起点和终点(无论是否能拿到宝藏)也是可以通行的。
我们每步可以选择向上/向下/向左/向右移动一格,并且不能移出迷宫。搬起石头和放下石头不算步数。那么,从起点开始,我们最少需要多少步才能最后拿到宝藏呢?如果无法拿到宝藏,返回 -1 。
示例 1:
输入: ["S#O", "M..", "M.T"]
输出:16
解释:最优路线为: S->O, cost = 4, 去搬石头 O->第二行的M, cost = 3, M机关触发 第二行的M->O, cost = 3, 我们需要继续回去 O 搬石头。 O->第三行的M, cost = 4, 此时所有机关均触发 第三行的M->T, cost = 2,去T点拿宝藏。 总步数为16。
示例 2:
输入: ["S#O", "M.#", "M.T"]
输出:-1
解释:我们无法搬到石头触发机关
示例 3:
输入: ["S#O", "M.T", "M.."]
输出:17
解释:注意终点也是可以通行的。
限制:
1 <= maze.length <= 100
1 <= maze[i].length <= 100
maze[i].length == maze[j].length
原站题解
python3 解法, 执行用时: 3260 ms, 内存消耗: 44.2 MB, 提交时间: 2023-10-23 17:13:26
from queue import Queue class Solution: def minimalSteps(self, maze: List[str]) -> int: # 四个方向 dd = [(-1, 0), (0, 1), (1, 0), (0, -1)] # 计算(x, y)到maze中其他点的距离,结果保存在ret中 def bfs(x, y, maze, m, n): ret = [[-1]*n for _ in range(m)] ret[x][y] = 0 q = Queue() q.put((x,y)) while q.qsize(): curx, cury = q.get() for dx, dy in dd: nx = curx + dx ny = cury + dy if 0 <= nx < m and 0 <= ny < n and maze[nx][ny] != '#' and ret[nx][ny] == -1: ret[nx][ny] = ret[curx][cury] + 1 q.put((nx, ny)) return ret m = len(maze) n = len(maze[0]) startX = -1 startY = -1 endX = -1 endY = -1 # 机关 & 石头 buttons = [] stones = [] # 记录所有特殊信息的位置 for i in range(m): for j in range(n): if maze[i][j] == 'S': startX = i startY = j elif maze[i][j] == 'T': endX = i endY = j elif maze[i][j] == 'O': stones.append((i,j)) elif maze[i][j] == 'M': buttons.append((i,j)) else: pass nb = len(buttons) ns = len(stones) startToAnyPos = bfs(startX, startY, maze, m, n) # 若没有机关,最短距离就是(startX, startY)到(endX, endY)的距离 if nb == 0: return startToAnyPos[endX][endY] # 记录第i个机关到第j个机关的最短距离 # dist[i][nb]表示到起点的距离, dist[i][nb+1]表示到终点的距离 dist = [[-1]*(nb+2) for _ in range(nb)] # 遍历所有机关,计算其和其他点的距离 buttonsToAnyPos = [] for i in range(nb): bx, by = buttons[i] # 记录第i个机关到其他点的距离 iToAnyPos = bfs(bx, by, maze, m, n) buttonsToAnyPos.append(iToAnyPos) # 第i个机关到终点的距离就是(bx, by)到(endX, endY)的距离 dist[i][nb + 1] = iToAnyPos[endX][endY] for i in range(nb): # 计算第i个机关到(startX, startY)的距离 # 即从第i个机关出发,通过每个石头(sx, sy),到(startX, startY)的最短距离 tmp = -1 for j in range(ns): sx, sy = stones[j] if buttonsToAnyPos[i][sx][sy] != -1 and startToAnyPos[sx][sy] != -1: if tmp == -1 or tmp > buttonsToAnyPos[i][sx][sy] + startToAnyPos[sx][sy]: tmp = buttonsToAnyPos[i][sx][sy] + startToAnyPos[sx][sy] dist[i][nb] = tmp # 计算第i个机关到第j个机关的距离 # 即从第i个机关出发,通过每个石头(sx, sy),到第j个机关的最短距离 for j in range(i+1, nb): mn = -1 for k in range(ns): sx, sy = stones[k] if buttonsToAnyPos[i][sx][sy] != -1 and buttonsToAnyPos[j][sx][sy] != -1: if mn == -1 or mn > buttonsToAnyPos[i][sx][sy] + buttonsToAnyPos[j][sx][sy]: mn = buttonsToAnyPos[i][sx][sy] + buttonsToAnyPos[j][sx][sy] # 距离是无向图,对称的 dist[i][j] = mn dist[j][i] = mn # 若有任意一个机关 到起点或终点没有路径(即为-1),则说明无法达成,返回-1 for i in range(nb): if dist[i][nb] == -1 or dist[i][nb+1] == -1: return -1 # dp数组, -1代表没有遍历到, 1<<nb表示题解中提到的mask, dp[mask][j]表示当前处于第j个机关,总的触发状态为mask所需要的最短路径, 由于有2**nb个状态,因此1<<nb的开销必不可少 dp = [[-1]*nb for _ in range(1 << nb)] # 初识状态,即从start到第i个机关,此时mask的第i位为1,其余位为0 for i in range(nb): dp[1 << i][i] = dist[i][nb] # 二进制中数字大的mask的状态肯定比数字小的mask的状态多,所以直接从小到大遍历更新即可 for mask in range(1, (1 << nb)): for i in range(nb): # 若当前位置是正确的,即mask的第i位是1 if mask & (1 << i) != 0: for j in range(nb): # 选择下一个机关j,要使得机关j目前没有到达,即mask的第j位是0 if mask & (1 << j) == 0: nextMask = mask | (1 << j) if dp[nextMask][j] == -1 or dp[nextMask][j] > dp[mask][i] + dist[i][j]: dp[nextMask][j] = dp[mask][i] + dist[i][j] # 最后一个机关到终点 ans = -1 finalMask = (1 << nb) - 1 for i in range(nb): if ans == -1 or ans > dp[finalMask][i] + dist[i][nb + 1]: ans = dp[finalMask][i] + dist[i][nb + 1] return ans
golang 解法, 执行用时: 80 ms, 内存消耗: 12.9 MB, 提交时间: 2023-10-23 17:12:51
var ( dx = []int{1, -1, 0, 0} dy = []int{0, 0, 1, -1} n, m int ) func minimalSteps(maze []string) int { n, m = len(maze), len(maze[0]) // 机关 & 石头 var buttons, stones [][]int // 起点 & 终点 sx, sy, tx, ty := -1, -1, -1, -1 for i := 0; i < n; i++ { for j := 0; j < m; j++ { switch maze[i][j] { case 'M': buttons = append(buttons, []int{i, j}) case 'O': stones = append(stones, []int{i, j}) case 'S': sx, sy = i, j case 'T': tx, ty = i, j } } } nb, ns := len(buttons), len(stones) startDist := bfs(sx, sy, maze) // 边界情况:没有机关 if nb == 0 { return startDist[tx][ty] } // 从某个机关到其他机关 / 起点与终点的最短距离。 dist := make([][]int, nb) for i := 0; i < nb; i++ { dist[i] = make([]int, nb + 2) for j := 0; j < nb + 2; j++ { dist[i][j] = -1 } } // 中间结果 dd := make([][][]int, nb) for i := 0; i < nb; i++ { dd[i] = bfs(buttons[i][0], buttons[i][1], maze) // 从某个点到终点不需要拿石头 dist[i][nb + 1] = dd[i][tx][ty] } for i := 0; i < nb; i++ { tmp := -1 for k := 0; k < ns; k++ { midX, midY := stones[k][0], stones[k][1] if dd[i][midX][midY] != -1 && startDist[midX][midY] != -1 { if tmp == -1 || tmp > dd[i][midX][midY] + startDist[midX][midY] { tmp = dd[i][midX][midY] + startDist[midX][midY] } } } dist[i][nb] = tmp for j := i + 1; j < nb; j++ { mn := -1 for k := 0; k < ns; k++ { midX, midY := stones[k][0], stones[k][1] if dd[i][midX][midY] != -1 && startDist[midX][midY] != -1 { if mn == -1 || mn > dd[i][midX][midY] + dd[j][midX][midY] { mn = dd[i][midX][midY] + dd[j][midX][midY] } } } dist[i][j] = mn dist[j][i] = mn } } // 无法达成的情形 for i := 0; i < nb; i++ { if dist[i][nb] == -1 || dist[i][nb + 1] == -1 { return -1 } } // dp 数组, -1 代表没有遍历到 dp := make([][]int, 1 << nb) for i := 0; i < (1 << nb); i++ { dp[i] = make([]int, nb) for j := 0; j < nb; j++ { dp[i][j] = -1 } } for i := 0; i < nb; i++ { dp[1 << i][i] = dist[i][nb] } // 由于更新的状态都比未更新的大,所以直接从小到大遍历即可 for mask := 1; mask < (1 << nb); mask++ { for i := 0; i < nb; i++ { // 当前 dp 是合法的 if mask & (1 << i) != 0 { for j := 0; j < nb; j++ { // j 不在 mask 里 if mask & (1 << j) == 0 { next := mask | (1 << j) if dp[next][j] == -1 || dp[next][j] > dp[mask][i] + dist[i][j] { dp[next][j] = dp[mask][i] + dist[i][j] } } } } } } ret := -1 finalMask := (1 << nb) - 1 for i := 0; i < nb; i++ { if ret == -1 || ret > dp[finalMask][i] + dist[i][nb + 1] { ret = dp[finalMask][i] + dist[i][nb + 1] } } return ret } func bfs(x, y int, maze []string) [][]int { ret := make([][]int, n) for i := 0; i < n; i++ { ret[i] = make([]int, m) for j := 0; j < m; j++ { ret[i][j] = -1 } } ret[x][y] = 0 queue := [][]int{} queue = append(queue, []int{x, y}) for len(queue) > 0 { p := queue[0] queue = queue[1:] curx, cury := p[0], p[1] for k := 0; k < 4; k++ { nx, ny := curx + dx[k], cury + dy[k] if inBound(nx, ny) && maze[nx][ny] != '#' && ret[nx][ny] == -1 { ret[nx][ny] = ret[curx][cury] + 1 queue = append(queue, []int{nx, ny}) } } } return ret } func inBound(x, y int) bool { return x >= 0 && x < n && y >= 0 && y < m }
java 解法, 执行用时: 78 ms, 内存消耗: 46.2 MB, 提交时间: 2023-10-23 17:12:33
class Solution { int[] dx = {1, -1, 0, 0}; int[] dy = {0, 0, 1, -1}; int n, m; public int minimalSteps(String[] maze) { n = maze.length; m = maze[0].length(); // 机关 & 石头 List<int[]> buttons = new ArrayList<int[]>(); List<int[]> stones = new ArrayList<int[]>(); // 起点 & 终点 int sx = -1, sy = -1, tx = -1, ty = -1; for (int i = 0; i < n; i++) { for (int j = 0; j < m; j++) { if (maze[i].charAt(j) == 'M') { buttons.add(new int[]{i, j}); } if (maze[i].charAt(j) == 'O') { stones.add(new int[]{i, j}); } if (maze[i].charAt(j) == 'S') { sx = i; sy = j; } if (maze[i].charAt(j) == 'T') { tx = i; ty = j; } } } int nb = buttons.size(); int ns = stones.size(); int[][] startDist = bfs(sx, sy, maze); // 边界情况:没有机关 if (nb == 0) { return startDist[tx][ty]; } // 从某个机关到其他机关 / 起点与终点的最短距离。 int[][] dist = new int[nb][nb + 2]; for (int i = 0; i < nb; i++) { Arrays.fill(dist[i], -1); } // 中间结果 int[][][] dd = new int[nb][][]; for (int i = 0; i < nb; i++) { int[][] d = bfs(buttons.get(i)[0], buttons.get(i)[1], maze); dd[i] = d; // 从某个点到终点不需要拿石头 dist[i][nb + 1] = d[tx][ty]; } for (int i = 0; i < nb; i++) { int tmp = -1; for (int k = 0; k < ns; k++) { int midX = stones.get(k)[0], midY = stones.get(k)[1]; if (dd[i][midX][midY] != -1 && startDist[midX][midY] != -1) { if (tmp == -1 || tmp > dd[i][midX][midY] + startDist[midX][midY]) { tmp = dd[i][midX][midY] + startDist[midX][midY]; } } } dist[i][nb] = tmp; for (int j = i + 1; j < nb; j++) { int mn = -1; for (int k = 0; k < ns; k++) { int midX = stones.get(k)[0], midY = stones.get(k)[1]; if (dd[i][midX][midY] != -1 && dd[j][midX][midY] != -1) { if (mn == -1 || mn > dd[i][midX][midY] + dd[j][midX][midY]) { mn = dd[i][midX][midY] + dd[j][midX][midY]; } } } dist[i][j] = mn; dist[j][i] = mn; } } // 无法达成的情形 for (int i = 0; i < nb; i++) { if (dist[i][nb] == -1 || dist[i][nb + 1] == -1) { return -1; } } // dp 数组, -1 代表没有遍历到 int[][] dp = new int[1 << nb][nb]; for (int i = 0; i < 1 << nb; i++) { Arrays.fill(dp[i], -1); } for (int i = 0; i < nb; i++) { dp[1 << i][i] = dist[i][nb]; } // 由于更新的状态都比未更新的大,所以直接从小到大遍历即可 for (int mask = 1; mask < (1 << nb); mask++) { for (int i = 0; i < nb; i++) { // 当前 dp 是合法的 if ((mask & (1 << i)) != 0) { for (int j = 0; j < nb; j++) { // j 不在 mask 里 if ((mask & (1 << j)) == 0) { int next = mask | (1 << j); if (dp[next][j] == -1 || dp[next][j] > dp[mask][i] + dist[i][j]) { dp[next][j] = dp[mask][i] + dist[i][j]; } } } } } } int ret = -1; int finalMask = (1 << nb) - 1; for (int i = 0; i < nb; i++) { if (ret == -1 || ret > dp[finalMask][i] + dist[i][nb + 1]) { ret = dp[finalMask][i] + dist[i][nb + 1]; } } return ret; } public int[][] bfs(int x, int y, String[] maze) { int[][] ret = new int[n][m]; for (int i = 0; i < n; i++) { Arrays.fill(ret[i], -1); } ret[x][y] = 0; Queue<int[]> queue = new LinkedList<int[]>(); queue.offer(new int[]{x, y}); while (!queue.isEmpty()) { int[] p = queue.poll(); int curx = p[0], cury = p[1]; for (int k = 0; k < 4; k++) { int nx = curx + dx[k], ny = cury + dy[k]; if (inBound(nx, ny) && maze[nx].charAt(ny) != '#' && ret[nx][ny] == -1) { ret[nx][ny] = ret[curx][cury] + 1; queue.offer(new int[]{nx, ny}); } } } return ret; } public boolean inBound(int x, int y) { return x >= 0 && x < n && y >= 0 && y < m; } }
cpp 解法, 执行用时: 260 ms, 内存消耗: 29.8 MB, 提交时间: 2023-10-23 17:12:17
class Solution { public: int dx[4] = {1, -1, 0, 0}; int dy[4] = {0, 0, 1, -1}; int n, m; bool inBound(int x, int y) { return x >= 0 && x < n && y >= 0 && y < m; } vector<vector<int>> bfs(int x, int y, vector<string>& maze) { vector<vector<int>> ret(n, vector<int>(m, -1)); ret[x][y] = 0; queue<pair<int, int>> Q; Q.push({x, y}); while (!Q.empty()) { auto p = Q.front(); Q.pop(); int x = p.first, y = p.second; for (int k = 0; k < 4; k++) { int nx = x + dx[k], ny = y + dy[k]; if (inBound(nx, ny) && maze[nx][ny] != '#' && ret[nx][ny] == -1) { ret[nx][ny] = ret[x][y] + 1; Q.push({nx, ny}); } } } return ret; } int minimalSteps(vector<string>& maze) { n = maze.size(), m = maze[0].size(); // 机关 & 石头 vector<pair<int, int>> buttons, stones; // 起点 & 终点 int sx, sy, tx, ty; for (int i = 0; i < n; i++) { for (int j = 0; j < m; j++) { if (maze[i][j] == 'M') { buttons.push_back({i, j}); } if (maze[i][j] == 'O') { stones.push_back({i, j}); } if (maze[i][j] == 'S') { sx = i, sy = j; } if (maze[i][j] == 'T') { tx = i, ty = j; } } } int nb = buttons.size(); int ns = stones.size(); vector<vector<int>> start_dist = bfs(sx, sy, maze); // 边界情况:没有机关 if (nb == 0) { return start_dist[tx][ty]; } // 从某个机关到其他机关 / 起点与终点的最短距离。 vector<vector<int>> dist(nb, vector<int>(nb + 2, -1)); // 中间结果 vector<vector<vector<int>>> dd(nb); for (int i = 0; i < nb; i++) { vector<vector<int>> d = bfs(buttons[i].first, buttons[i].second, maze); dd[i] = d; // 从某个点到终点不需要拿石头 dist[i][nb + 1] = d[tx][ty]; } for (int i = 0; i < nb; i++) { int tmp = -1; for (int k = 0; k < ns; k++) { int mid_x = stones[k].first, mid_y = stones[k].second; if (dd[i][mid_x][mid_y] != -1 && start_dist[mid_x][mid_y] != -1) { if (tmp == -1 || tmp > dd[i][mid_x][mid_y] + start_dist[mid_x][mid_y]) { tmp = dd[i][mid_x][mid_y] + start_dist[mid_x][mid_y]; } } } dist[i][nb] = tmp; for (int j = i + 1; j < nb; j++) { int mn = -1; for (int k = 0; k < ns; k++) { int mid_x = stones[k].first, mid_y = stones[k].second; if (dd[i][mid_x][mid_y] != -1 && dd[j][mid_x][mid_y] != -1) { if (mn == -1 || mn > dd[i][mid_x][mid_y] + dd[j][mid_x][mid_y]) { mn = dd[i][mid_x][mid_y] + dd[j][mid_x][mid_y]; } } } dist[i][j] = mn; dist[j][i] = mn; } } // 无法达成的情形 for (int i = 0; i < nb; i++) { if (dist[i][nb] == -1 || dist[i][nb + 1] == -1) return -1; } // dp 数组, -1 代表没有遍历到 vector<vector<int>> dp(1 << nb, vector<int>(nb, -1)); for (int i = 0; i < nb; i++) { dp[1 << i][i] = dist[i][nb]; } // 由于更新的状态都比未更新的大,所以直接从小到大遍历即可 for (int mask = 1; mask < (1 << nb); mask++) { for (int i = 0; i < nb; i++) { // 当前 dp 是合法的 if (mask & (1 << i)) { for (int j = 0; j < nb; j++) { // j 不在 mask 里 if (!(mask & (1 << j))) { int next = mask | (1 << j); if (dp[next][j] == -1 || dp[next][j] > dp[mask][i] + dist[i][j]) { dp[next][j] = dp[mask][i] + dist[i][j]; } } } } } } int ret = -1; int final_mask = (1 << nb) - 1; for (int i = 0; i < nb; i++) { if (ret == -1 || ret > dp[final_mask][i] + dist[i][nb + 1]) { ret = dp[final_mask][i] + dist[i][nb + 1]; } } return ret; } };