分治法:棋盘覆盖问题(Tromino谜题)

问题

一个 2^k\times2^k 的棋盘里有一个格子为特殊方格,现使用占3个格子的L型骨牌(方向任意)填满除特殊方格外的所有格子,问填满一个 2^k\times2^k 的方格需要多少个L型骨牌?

分治策略

试验得知摆放的策略为:将整体的棋盘四等分为4个块,将L型骨牌摆放至四等分的交界处,缺口对应着含有特殊方块的那一个大块,以此规律细分下去就能填满方块(见图)。

1.png

被填上的格子(L骨牌占的格子)又会被作为新的“特殊方块”进行接下来的:分成四块,填没有特殊格的三个方块,分成四块,填方块...

因此可以得到分治与递归的策略如下:

2.png
  • 为什么会固定填充?
    • 如果不在某块里,它必定与其他两块一起被一个小L骨牌覆盖。不论特殊方块在哪个大块里,其余的大块的填充位置都集中在中心,可以唯一确定
  • “作为一整块”递归的问题:如何递归传递块的位置参数?
    • 可以选择块的左上角的坐标为定位点,传入最开始的左上角坐标作为定位点 (tr, tc) ,传入整块的大小 size。分割后块的长宽变为 s\space =\space size / 2 。通过 tr,tc, s 的运算来找到点的位置,如下图所示

    • 3.png
    • 各点坐标如下:

      • 左上角块:起始点 (tr,tc) 填充点 (tr+s-1,tc+s-1)
      • 右上角块:起始点 (tr+s,tc) 填充点 (tr+s,tc+s-1)
      • 左下角块:起始点 (tr,tc+s) 填充点 (tr+s-1,tc+s)
      • 右下角块:起始点 (tr+s,tc+s) 填充点 (tr+s, tc+s)

伪代码

chessBoard(tr, tc, dr, dc, size) # 传入起点坐标 特殊方格坐标 棋盘大小
    if (大小为1)
        return
        
    t = ++tile # 骨牌号
    s = size / 2 # 分隔后的大小
    
    if (特殊点在左上格)
        chessBoard(tr, tc, dr, dc, s) # 起始点不变 特殊点不变
    else # 没在左上格里就填充右下
        board(右下) = t
        chessboard(tr, tc, tr+s-1, tc+s-1, s) # 特殊点坐标为右下角坐标
        
    if (特殊点在右上格)
        chessBoard(tr+s, tc, dr, dc, s) # 起始点改变为右上起始点 特殊点不变
    else # 没在右上格里就填充左下
        board(左下) = t
        chessboard(tr+s, tc, tr+s, tc+s-1, s) # 起始点变右上块起始坐标,特殊点坐标为左下角坐标
        
    if (特殊点在左下格)
        chessBoard(tr, tc+s, dr, dc, s) # 起始点不变 特殊点不变
    else # 没在左下格里就填充右上
        board(右上) = t
        chessboard(tr, tc+s, tr+s-1, tc+s, s) # 特殊点坐标为右上角坐标
        
    if (特殊点在右下格)
        chessBoard(tr+s,tc+s, dr, dc, s) # 起始点右下 特殊点不变
    else # 没在右下格里就填充左上
        board(左上) = t
        chessboard(tr+s, tc+s, tr+s, tc+s, s) # 特殊点坐标为左上角坐标
    
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