مسئله‌های الگوریتمی

مسئله

رابطه‌ی جمع زدن دو عدد را در نظر بگیرید:

این عملیات در پس‌زمینه انجام می‌گیرد که کنترل آن خارج از اختیار ما است و خروجی آن لزوما نشانگر جمع صحیح نیست. اما می‌توانیم هر تعداد ستون دلخواه از آن را حذف کنیم تا به جمع درستی برسیم. به عنوان نمونه، در مثال زیر می‌توانیم با حذف ستون‌های دوم و چهارم به جمع درستی برسیم:

مسئله

برخی از نقاط روستای برره در حمله‌ی دشمن فرضی آتش گرفته‌اند! این آتش رفته رفته گسترش پیدا کرده و به نقاط دیگر نیز سرایت می‌کند. خرزو خان که تنها بازمانده‌ی روستا در نبرد با دشمن فرضی است، تلاش می‌کند خود را برای نجات به تنها هلیکوپتر روستا برساند.

روستا را به صورت شبکه‌ای با ابعاد $ n \times m $ در نظر بگیرد که برخی خانه‌های آن در آغاز آتش گرفته‌اند و اگر خانه‌ای در زمان $x$ آتش گرفته باشد، هشت خانه‌ی مجاور آن در زمان $ x + k$ آتش خواهند گرفت و هرگز خاموش نمی‌شوند. حال اگر خرزو خان در نقطه‌ی $s$ شبکه باشد، می‌تواند در هر ثانیه به یکی از چهار خانه‌ی مجاور بالا، پایین، راست یا چپ خود برود و تلاش کند به نقطه‌ی $t$ که هلیکوپتر در آن قرار دارد برسد.

مسئله

صفحه‌ای مشبک با ابعاد 10 در 10 وجود دارد که هر خانه شامل یک لامپ و یک کلید برای روشن یا خاموش کردن لامپ است. اما این کلیدها رفتار عادی ندارند و فشار دادن هر کدام، نه تنها لامپ همان خانه که لامپ خانه‌های بالا، پایین، راست و چپ آن خانه را - در صورت وجود - تغییر وضعیت می‌دهد.

به عنوان نمونه به مثال‌های زیر توجه کنید که بخشی از شبکه است و کلید وسط فشار داده می‌شود. در این مثال‌ها منظور از O روشن بودن لامپ و #‌ خاموش بودن آن است و کلید وسط فشار داده می‌شود.

دنباله‌ای از $n$ عدد صحیح را Jolly Jumper گویند هر گاه قدر مطلق اختلاف عناصر متوالی آن، همه‌ی اعداد 1 تا $n-1$ را تولید کند. برای مثال دنباله‌ی

1  4  2  3

Jolly Jumper است. چرا که قدرمطلق اختلاف عناصر متوالی آن 3، 2 و 1 است. همچنین هر دنباله با تنها یک جمله، Jolly Jumper محسوب می‌شود. شما باید برنامه‌ای بنویسید که مشخص کند آیا یک دنباله Jolly Jumper است یا نه؟

ورودی برنامه

هر خط ورودی برنامه با عدد $n$ (کمتر از 3000) آغاز و پس از آن $n$ عدد دنباله می‌آیند.

مستندات دوره‌ی «Introduction to Programming Contests» دانشگاه استنفورد با تدریس Jaehyun Park (مربی تیم‌های ACM-ICPC این دانشگاه) شامل اسلایدها، سوالات برگزیده برای تمرین در موضوعات مختلف ریاضیات، ساختمان داده‌ها و الگوریتم‌ها به همراه نکات برنامه‌نویسی از پیوند زیر قابل مشاهده و دریافت هستند:

CS 97SI: Introduction to Programming Contests

گروهی از دانشجویان عضو کلوپی هستند که هر سال سفر به یک منطقه را در برنامه‌های خود دارد. ایندیاناپلیس، فینیکس، نَشویل، فیلادلفیا، سن خوزه و آتلانتا از جمله مناطقی هستند که در گذشته سفر انجام شده و این بهار نیز نوبت سفر به آیندهوون است.

این گروه دانشجویی توافق کرده‌اند که سهم هر کدام از نفرات در مخارج سفر با دیگر اعضا یکی باشد. برای رسیدن به این هدف، عملا امکان تقسیم خرج بین نفرات در هر هزینه وجود ندارد. به همین دلیل هر کدام از نفرات هزینه‌های مختلف از قبیل وعده‌های غذایی، اقامت و ایاب و ذهاب را پرداخت می‌کنند و پس از اتمام سفر، مجموع کل هزینه‌ها محاسبه شده و پول بین نفرات به قسمی رد و بدل می‌شود که همه به یک میزان در خرج مشارکت داشته باشند یا حداکثر یک سنت اختلاف وجود داشته باشد.

در گذشته این حساب و کتاب و تبادل پول کاری خسته‌کننده و زمان‌بر بود. کار شما یافتن حداقل میزان تبادل پول بین نفرات است به قسمی که همه به یک میزان یا حداکثر اختلاف یک سنت خرج کرده باشند.

الگوریتمی را در نظر بگیرید که با دریافت یک عدد $n$، دنباله‌ای از اعداد را تولید می‌کند. به این ترتیب که اگر $n$ زوج بود، تقسیم آن بر عدد 2 و اگر فرد بود، $ 3n + 1 $ را به عنوان جمله‌ی بعدی دنباله و مقدار جدید برای $n$ تولید کرده و عملیات را تا زمانی که مقدار $n$ برابر 1 شود، ادامه دهد. برای مثال، دنباله‌ی زیر با شروع از $ n = 22 $ تولید می‌شود:

\[ 22 \; 11 \; 34 \; 17 \; 52 \; 26 \; 13 \; 40 \; 20 \; 10 \; 5 \; 16 \; 8 \; 4 \; 2 \; 1 \]

حدس زده شده است که چنین دنباله‌ای به ازای هر عدد صحیح $n$ در نهایت به عدد 1 ختم خواهد شد. این حدس حداقل برای اعداد کمتر از 1000000 صحیح است.

اعضای کمیته‌ی علمی ACM‌ امسال از ایمیل برای بحث در مورد سوالات استفاده می‌کنند. آنها می‌دانند که ایمیل ابزار امنی برای ارتباط در مورد چنین موضوعات حساسی نیست. بنابراین فایل‌های فشرده‌ی رمزگذاری شده را تبادل می‌کنند. برای تبادل کلمه‌ی عبور فایل نیز از SMS رمز شده با ساختار تایپ multi-tap استفاده می‌کنند.

روش multi-tap در حال حاضر (سال ۲۰۰۷) رایج‌ترین روش ورودی گوشی‌های تلفن است که فشار دادن یک یا چند باره‌ی یک کلید خاص، حرف مورد نظر ما را تولید می‌کند. به عنوان مثال، حروف B ،A و C به ترتیب با یک، دو و سه بار فشار دادن کلید 2 به دست می‌آیند.

کف اتاق خواب غلام با کاشی‌های سفید و زرد پوشیده شده است. گاهی که حوصله ندارد، روی یکی از کاشی‌ها می‌ایستد و در آن ردیف از کاشی‌ها قدم می‌زند. او ابتدا عدد $n$ را انتخاب می‌کند و تنها $n$ قدم حرکت می‌کند. اگر در حین حرکت به دیوار برسد، چرخیده و در جهت خلاف به حرکت خود ادامه می‌دهد. توجه داشته باشید که خود عمل چرخش گام حساب نمی‌شود. در حین قدم زدن (یک کاشی در هر قدم) او تعداد دفعاتی که پا روی کاشی زرد گذاشته را می‌شمارد.

برای مثال، شکل زیر یک ردیف از کاشی‌های اتاق را نشان می‌دهد. رنگ کاشی‌ها با حروف 'W' و 'Y' مشخص شده‌اند که به ترتیب به معنی رنگ سفید و زرد هستند. اگر او از کاشی شماره‌ی 3 شروع کرده و تصمیم داشته باشد 7 قدم به سمت راست حرکت کند، در نهایت روی کاشی شماره‌ی 2 متوقف شده و 3 بار روی کاشی‌های زرد پا می‌گذارد.

می‌دانیم که جایگاه رقم در یک عدد، وزن آن را در مقدار عدد مشخص می‌کند. برای مثال، عدد 362 در مبنای 10 از رقم 2‌ با وزن $10^0$، رقم 6 با وزن $10^1$ و رقم 3 با وزن $10^2$ به صورت $ 3 \times 10 ^ 2 + 6 \times 10 ^ 1 + 2 \times 10 ^ 0 $ یا $ 300 + 60 + 2 $ تشکیل شده است. چنین ساختاری برای نمایش اعداد در سایر مبناها نیز وجود دارد.

اگرچه عموم مردم تصور می‌کنند اعداد مورد استفاده‌ی آنها تنها در مبنای 10 تعریف شده‌اند، اما ما می‌دانیم که نمایش در سایر مبناها نیز امکانپذیر است. مثلا عدد 362 نمایش متفاوتی در مبناهای 9 یا 14 دارد.

مسئله

جناب خان که با کسب و کار لبوی خود میلیاردر شده است، می‌خواهد رئیس جمهور شود! در کشور او که از چندین ایالت تشکیل شده است، از روشی با عنوان هیئت انتخاب (یا هیئت الکترال) برای انتخاب رئیس جمهور استفاده می‌شود. در چنین ساختاری شمارش رأی در هر ایالت به صورت مستقل انجام می‌شود و هر ایالت متناسب با جمعیت خود تعدادی نماینده در هیئت انتخاب کنندگان رئیس جمهور دارد. تمام نمایندگان یک ایالت در نهایت به نامزدی رأی می‌دهند که در آن ایالت اکثریت آرا را کسب کرده باشد. اگر نامزدها رأی برابر داشته باشند، هر ایالت قوانین خاص خود برای انتخاب نهایی را دارد. در نهایت رئیس جمهور کسی است که بیش از نصف مجموع رأی‌های هیئت انتخاب را از آن خود کند.

با در اختیار داشتن احتمال پیروزی جناب خان در هر ایالت، احتمال پیروزی وی در انتخابات را محاسبه کنید.

مسئله

پل اردوش (اردیش - Paul Erdős) ریاضیدان مشهور و برجسته‌ی قرن بیستم است که تا پایان عمر خود تلاش گسترده‌ای برای انتشار مقالات علمی داشت و همکاری با وی در انتشار مقاله یک افتخار بزرگ برای هر ریاضیدان محسوب می‌گردد.

با توجه به آنکه همکاری با ایشان برای هر کس ممکن نبود، تلاش می‌کردند با نفراتی در انتشار مقاله‌ی علمی همکاری کنند که با این دانشمند بزرگ مقاله داشتند. این رویکرد باعث پدید آمدن عدد اردوش (Erdős number) یا فاصله‌ی همکاری اردوش شد؛ یعنی برای نویسندگانی که به صورت مستقیم با ایشان همکاری داشتند عدد 1 و برای کسانی که با این نفرات مقاله داشتند عدد 2 نسبت داده شد و ارتباطات دورتر نیز به همین ترتیب با اعداد طبیعی بعدی مشخص شدند.

مسئله

$n$ بشکه‌ی آب با تعدادی لوله به هم وصل شده‌اند. هر بشکه استوانه‌ای عمودی با سطح مقطع یک متر مربع و ارتفاع نامحدود است که با عدد یکتا بین 1 تا $n$ شماره‌گذاری شده است. $i$-امین لوله بشکه‌ی $ x_i $ و $y_i$ را به هم متصل می‌کند. یک سر این لوله در ارتفاع $h_i$ متر به بشکه‌ی $ x_i $ متصل است و سر دیگر آن در همان ارتفاع به بشکه‌ی $y_i$ متصل است. در زمان صفر بشکه‌ها خالی هستند و یک جریان آب به صورت پیوسته با سرعت یک متر مکعب بر ساعت در بشکه‌ی شماره‌ی یک می‌ریزد. اگر آب بشکه‌ای به ارتفاع لوله‌ای برسد، آب در لوله جریان پیدا می‌کند و می‌تواند وارد بشکه‌ی دیگر شود. فرض کنید قطر لوله‌ها ناچیز است و سرعت آب در لوله‌ها بسیار زیاد است.

مسئله

جدولی با n سطر و m ستون در نظر بگیرید. در تمام خانه‌های این جدول عدد 0‌ نوشته شده است. در ابتدای کار حامد در خانه‌ای از جدول ایستاده است. او عدد این خانه را پاک می‌کند و عدد 1 را به جای آن می‌نویسد. حامد شروع به حرکت می‌کند و در هر ثانیه یک خانه به بالا، راست، پایین یا چپ می‌رود. او با وارد شدن به هر خانه، عدد نوشته شده در خانه را پاک می‌کند و عددی یک واحد بزرگتر از آخرین عددی که نوشته است را می‌نویسد و بعد از مدتی متوقف می‌شود. می‌دانیم حامد در انتهای حرکت خود تمام خانه‌های جدول را دیده است.

به شما عکسی از اعداد نوشته شده در جدول داده شده است. آیا حامد اعداد روی جدول را به درستی نوشته است؟

مسئله

ساختمان جدید دپارتمان مهندسی کامپیوتر تنها شامل آسانسور بوده و پله ندارد. برای دسترسی سریع و مناسب به اتاق‌ها و کلاس‌های طبقات مختلف، آسانسورها به گونه‌ای تنظیم شده‌اند که تنها در طبقات مشخصی توقف داشته باشند؛ مثلا تعدادی تنها در طبقات زوج و تعدادی دیگر تنها در طبقات فرد. دکمه‌های داخل آسانسور و کنار ورودی آسانسور نیز تنها برای همین طبقات از پیش مشخص شده فعال هستند. این ایده دسترسی سریع و مناسب به طبقات ساختمان را برای برخی افراد فراهم می‌کند. به عنوان نمونه اعضای هیئت علمی دسترسی مستقیم به طبقات اتاق‌های خود دارند. اما در حالت کلی باعث سردرگمی می‌شود. اگر شخصی بخواهد از طبقه‌ای به طبقه‌ی دیگری برود، ممکن است هیچ آسانسوری در هر دوی آنها توقف نداشته باشد و شخص مجبور به تعویض آسانسور گردد. در چنین شرایطی این سوال پیش می‌آید که کدام آسانسور (یا آسانسورها) باید انتخاب شوند و کدام انتخاب‌ها شخص را در زمان کمتری به مقصد می‌رساند. اگر مسیر حرکت شخص از طبقه‌ی i به طبقه‌ی j به صورت $ i = f_1 \rightarrow f_2 \rightarrow f_3 \rightarrow \cdots \rightarrow f_k = j $ نمایش داده شود، عبارت $ \sum_{r=1}^{k-1} \vert f_i - f_{i+1} \vert $ زمان لازم برای رسیدن به مقصد از طریق آن مسیر است. برنامه‌ای بنویسید که افراد را در استفاده‌ی بهتر (در زمان کمتر) از آسانسورها یاری کند.

یکی از سوالات رایج علاقه‌مندان شرکت در مسابقات برنامه‌نویسی معتبر همچون ACM این است که چگونه خود را برای این مسابقات آماده کنیم؟ تا چه حد تسلط به یک زبان برنامه‌نویسی یا مفاهیم مختلف طراحی الگوریتم و شاخه‌های وابسته مورد نیاز است؟

کتاب Art of Programming Contest به عنوان یک کتاب اختصاصی آمادگی مسابقات برنامه‌نویسی با بررسی مباحث بسیار مفید در مورد مفاهیم و اصول مورد نیاز برای شرکت موفق در چنین مسابقاتی، به چنین سوالاتی پاسخ داده است. این کتاب با بحث در مورد شیوه‌های برنامه‌نویسی مطلوب با زبان برنامه‌نویسی C و استفاده‌ی موثر از مفاهیم مختلف طراحی الگوریتم‌ها و ساختمان داده‌ها، نه تنها برای شرکت‌کنندگان مسابقات که برای هر علاقه‌مند به حل مسائل چالش‌برانگیز الگوریتمی مناسب و مفید است.

مسئله

دو دوست در زمین نامحدودی متشکل از حصارهای دایره‌ای شکل هم‌اندازه با ساختار زیر قرار دارند:

یکی از دوستان قصد دارد با حرکت در این ساختار نزد دوست دیگر خود برود. حرکت در این ساختار در هر گام شامل جابجایی به یکی از دایره‌های مجاور است. دو دایره مجاور هستند اگر در یک نقطه مشترک باشند.

با توجه به موقعیت دو دوست در این ساختار، هدف یافتن حداقل گام‌های مورد نیاز برای رسیدن دو دوست به یک خانه است. توجه داشته باشید که محل اولیه‌ی دو دوست لزوما متمایز نبوده و در کل مراحل یک دوست در محل خود ثابت مانده و دوست دیگر حرکت می‌کند.

مسئله

ماتریس مربعی با ابعاد $N$ در $N$ و درایه‌هایی از اعداد صحیح موجود است. منظور از زیرماتریس بیشینه، زیرماتریسی از ماتریس مفروض است که مجموع عناصر آن بزرگتر یا مساوی مجموع عناصر هر زیرماتریس دیگر آن است.

به عنوان مثال، برای ماتریس زیر:

\[ \begin{matrix} 0 & -2 & -7 & 0 \\ 9 & 2 & -6 & 2 \\ -4 & 1 & -4 & 1 \\ -1 & 8 & 0 & -2 \end{matrix} \]

زیرماتریس بیشینه به این ترتیب خواهد بود:

\[ \begin{matrix} 9 & 2 \\ -4 & 1 \\ -1 & 8 \end{matrix} \]

معمای هشت وزیر از جمله مسائل کلاسیک مباحث طراحی الگوریتم است که در حالت کلی‌تر با عنوان معمای n وزیر یا معمای چند وزیر مطرح می‌شود.

برای افرادی که با بازی شطرنج آشنایی ندارند

وزیر مهره‌ای از مهره‌های بازی شطرنج است که می‌تواند در تمامی هشت جهت به هر تعداد خانه - تا زمانی که مهره‌ای مانع نباشد - حرکت کند. اگر در این مسیرها مهره‌ای از حریف قرار گرفته باشد، آن مهره در معرض خطر حمله توسط وزیر قرار دارد؛ یا به اصطلاح وزیر آن مهره را تهدید می‌کند.

معمای n وزیر

هدف از مسئله‌ی هشت وزیر، چیدن 8 مهره‌ی وزیر روی یک صفحه‌ی شطرنج خالی است، به قسمی که هیچ مهره‌ای مهره‌های دیگر را تهدید نکند. به عبارت دیگر، 8 وزیر باید به نحوی چیده شوند که هیچ‌کدام در بک سطر، بک ستون یا بک قطر قرار نداشته باشند. یک جواب مسئله می‌تواند به صورت زیر باشد:

مسئله

یک چراغ راهنمایی در مسیر گردش از بزرگراه به یک مرکز فروش بزرگ تعبیه شده است. عملکرد این چراغ به گونه‌ای است که در هر دقیقه حداکثر k خودرو امکان گردش از بزرگراه به سمت مسیر مرکز را دارند. در پایان هفته شهروندان بیشتری برای خرید به این مرکز مراجعه می‌کنند که باعث بالا رفتن حجم ترافیک می‌شود. مدیران مرکز سفارش نصب دوربین ویژه‌ای در نزدیکی آن محل را داده‌اند که امکان شمارش تعداد خودروهای وارد شده از سمت شهر به محل گردش به مرکز فروش را دارد.

عملکرد دوربین از n دقیقه‌ی قبل آغاز شده است. شما باید با توجه به اطلاعات ارسال شده از طریق این دوربین، تعداد خودروهایی را که در حال حاضر پشت چراغ راهنمایی متوقف شده‌اند محاسبه کنید.

مسئله

تابع بازگشتی (F(n با تعریف زیر مفروض است:

\[ F(n)= \left\{\begin{matrix} n \% 10 & & & if \; (n\%10) > 0\\ 0 & & & if \; n = 0 \\ F(n/10) & & & Otherwise \end{matrix}\right. \]

تابع (S(p, q به این صورت تعریف شده است:

\[ S(p,q)=\sum_{i=p}^{q} F(i) \]

مقدار (S(p, q را به ازای مقادیر ورودی p و q محاسبه کنید.

مسئله

یکی از تیم‌های لیگ برتر فوتبال (جام خلیج فارس) امسال نتایج خیلی بدی گرفته است. هیئت مدیره‌ی باشگاه برای اخراج مربی تحت فشار هستند. اما این مربی از سوی طرفداران تیم به عنوان یک قهرمان محبوب حمایت می‌شود. به همین دلیل تصمیم می‌گیرند یک فرصت دیگر به مربی بدهند. سخنگوی باشگاه به رسانه‌ها اعلام می‌کند که هیئت مدیره‌ی باشگاه تنها زمانی از مربی حمایت می‌کنند که بتواند در 5 بازی آینده 11 امتیاز برای تیمشان کسب کند. مربی می‌خواهد بداند چقدر احتمال دارد به این موفقیت دست پیدا کند و از شما کمک می‌خواهد.فرض کنید احتمال کسب برد، باخت و تساوی در مسابقه‌های بعدی از روی مسابقات انجام شده تا به حال به دست می‌آید. به عنوان مثال اگر این تیم از 10 بازی انجام داده‌ی قبلی 3 برد داشته باشد، احتمال برد در آینده 30% خواهد بود.

علاقه‌مندان به مباحث مختلف طراحی الگوریتم و همینطور شرکت‌کنندگان مسابقات برنامه‌نویسی به خوبی می‌دانند که یکی از مهمترین پارامترهای طراحی موفقیت‌آمیز یک الگوریتم، شیوه‌ی صحیح فکر کردن روی حل مسئله است. حل انواع سوالات الگوریتمی به ما کمک می‌کند ذهن خودمان را برای حل مسائل پیچیده‌تر آماده کنیم.

مسئله‌ی برج هانوی (Tower of Hanoi) یکی از مسائل تاریخی مشهور است که در مباحث طراحی الگوریتم نیز به آن پرداخته می‌شود.

به شکل زیر توجه کنید:

سه میله‌ی - میله‌ی مبدأ (A) ، میله‌ی کمکی (B) و میله‌ی مقصد (C) - و تعدادی دیسک در میله‌ی مبدأ داریم. هدف انتقال تمام دیسک‌ها از این میله به میله‌ی مقصد با رعایت دو شرط زیر است:

یکی از مسائل جالب طراحی الگوریتم مسئله‌ی کاشیکاری یا فرش کردن زمین با موزاییک‌ است.

فرض کنید قطعه زمین مربعی شکل با ابعادی از توان عدد دو داریم. مثلا با ابعاد 16 متر:

هدف فرش کردن این قطعه زمین با استفاده از موزاییک‌هایی با شکل‌های زیر است: