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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。 图片.gif

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:

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class Solution { public: int minimalSteps(vector<string>& maze) { } };

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;
    }
};

上一题