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Cマガ電脳クラブ(第078回) 何TUパズル

問題

一辺の長さが1の正方形のタイル5個を辺同士でくっつけて組み合わせたものをペントミノといい、
全部で12種類ある。

このうちの2種類、TペントミノとUペントミノ(Fig.A)だけを
何個かずつ使って並べて長方形を作りたい。もちろん、重なりや穴があってはならない。

このとき、一番少ない個数で作ることができる(つまり最小面積の)長方形(n*m)を見つけてほしい。
並べ方は1解だけ示せばよいとする。
また、使うTペントミノとUペントミノの個数は同じである必要はない。

Fig.A ペントミノ

     


ソース

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;

class Program
{
    //ピースごとの配置候補
    static Dictionary<char, List<bool[,]>> HaitiKouhoListDict =
        new Dictionary<char, List<bool[,]>>();

    static char[] PieceNameArr = { 'T', 'U' };

    static int UB_X;
    static int UB_Y;

    static void Main()
    {
        var sw = System.Diagnostics.Stopwatch.StartNew();

        foreach (char AnyPiece in PieceNameArr) {
            HaitiKouhoListDict[AnyPiece] = DeriveHaitiKouhoList(AnyPiece);
        }

        //面積でループ
        for (int Menseki = 5; ; Menseki += 5) {
            for (int X = 4; X <= Menseki; X++) {
                for (int Y = X; Y <= Menseki; Y++) {
                    if (X * Y != Menseki) continue;
                    UB_X = X - 1;
                    UB_Y = Y - 1;
                    Console.WriteLine("面積={0,3}(横{1,3}、縦{2,3})の長方形を判定中。経過時間={3}"
                        , Menseki, X, Y, sw.Elapsed);
                    if (CanShikitume()) return;
                }
            }
        }
    }

    struct JyoutaiDef
    {
        internal char[,] BanArr;
        internal int CurrX;
        internal int CurrY;
        internal int PentominoCnt;
    }

    //ペントミノを敷き詰め可能かを返す
    static bool CanShikitume()
    {
        var stk = new Stack<JyoutaiDef>();
        JyoutaiDef WillPush;
        WillPush.BanArr = new char[UB_X + 1, UB_Y + 1];
        for (int X = 0; X <= UB_X; X++)
            for (int Y = 0; Y <= UB_Y; Y++)
                WillPush.BanArr[X, Y] = ' ';

        WillPush.CurrX = WillPush.CurrY = 0;
        WillPush.PentominoCnt = 0;
        stk.Push(WillPush);

        while (stk.Count > 0) {
            JyoutaiDef Popped = stk.Pop();

            //クリア判定
            if (Popped.PentominoCnt == (UB_X + 1) * (UB_Y + 1) / 5) {
                Console.WriteLine("解を発見");
                PrintAnswer(Popped.BanArr);
                return true;
            }

            //X座標の繰上げ処理
            if (Popped.CurrX > UB_X) {
                Popped.CurrX = 0;
                Popped.CurrY++;
            }

            //最終行を超えた場合
            if (Popped.CurrY > UB_Y) continue;

            foreach (char AnyPiece in PieceNameArr) {
                //最初にTペントミノは配置できない
                if (Popped.PentominoCnt == 0 && AnyPiece == 'T') continue;

                //ピースの配置候補リスト
                List<bool[,]> HaitiKouhoList = new List<bool[,]>();
                HaitiKouhoList.AddRange(HaitiKouhoListDict[AnyPiece]);

                //現在のマス目が空白の場合は、マス目を埋める必要あり
                if (Popped.BanArr[Popped.CurrX, Popped.CurrY] == ' ') {
                    HaitiKouhoList.RemoveAll(X => X[0, 0] == false);
                }

                //マス目にピースを埋めれない候補をRemove
                HaitiKouhoList.RemoveAll(X =>
                    CanFillPiece(X, Popped.CurrX, Popped.CurrY, Popped.BanArr) == false);

                //ピースを配置する経路のPush処理
                foreach (bool[,] AnyPieceMap in HaitiKouhoList) {
                    WillPush.BanArr = (char[,])Popped.BanArr.Clone();
                    WillPush.CurrX = Popped.CurrX + 1;
                    WillPush.CurrY = Popped.CurrY;
                    WillPush.PentominoCnt = Popped.PentominoCnt + 1;

                    for (int X = 0; X <= AnyPieceMap.GetUpperBound(0); X++) {
                        for (int Y = 0; Y <= AnyPieceMap.GetUpperBound(1); Y++) {
                            if (AnyPieceMap[X, Y] == false) continue;
                            WillPush.BanArr[Popped.CurrX + X, Popped.CurrY + Y] = AnyPiece;
                        }
                    }
                    stk.Push(WillPush);
                }
            }

            //現在のマス目が空白でない場合は、ピースを配置しない経路のPush
            if (Popped.BanArr[Popped.CurrX, Popped.CurrY] != ' ') {
                WillPush.BanArr = Popped.BanArr;
                WillPush.CurrX = Popped.CurrX + 1;
                WillPush.CurrY = Popped.CurrY;
                WillPush.PentominoCnt = Popped.PentominoCnt;
                stk.Push(WillPush);
            }
        }
        return false;
    }

    //ピース名を引数として、回転させた配置のListを返す
    static List<bool[,]> DeriveHaitiKouhoList(char pPieceName)
    {
        bool[,] wkArr = null;

        //■■■
        // ■
        // ■
        if (pPieceName == 'T') {
            wkArr = new bool[3, 3];
            wkArr[0, 0] = wkArr[1, 0] = wkArr[2, 0] = true;
            wkArr[0, 1] = false; wkArr[1, 1] = true; wkArr[2, 1] = false;
            wkArr[0, 2] = false; wkArr[1, 2] = true; wkArr[2, 2] = false;
        }

        //■ ■
        //■■■
        if (pPieceName == 'U') {
            wkArr = new bool[3, 2];
            wkArr[0, 0] = true; wkArr[1, 0] = false; wkArr[2, 0] = true;
            wkArr[0, 1] = wkArr[1, 1] = wkArr[2, 1] = true;
        }

        return DeriveKaitenArrList(wkArr);
    }

    //配列を引数として、回転させた配列のリストをDistinctして返す
    static List<bool[,]> DeriveKaitenArrList(bool[,] pBaseArr)
    {
        var KaitenArrList = new List<bool[,]>();

        int BaseArrUB_X = pBaseArr.GetUpperBound(0);
        int BaseArrUB_Y = pBaseArr.GetUpperBound(1);

        for (int I = 1; I <= 8; I++) KaitenArrList.Add(null);
        for (int P = 0; P <= 6; P += 2) KaitenArrList[P] = new bool[BaseArrUB_X + 1, BaseArrUB_Y + 1];
        for (int P = 1; P <= 7; P += 2) KaitenArrList[P] = new bool[BaseArrUB_Y + 1, BaseArrUB_X + 1];

        for (int X = 0; X <= BaseArrUB_X; X++) {
            for (int Y = 0; Y <= BaseArrUB_Y; Y++) {
                bool SetVal = pBaseArr[X, Y];
                KaitenArrList[0][X, Y] = SetVal;
                KaitenArrList[1][Y, BaseArrUB_X - X] = SetVal;
                KaitenArrList[2][BaseArrUB_X - X, BaseArrUB_Y - Y] = SetVal;
                KaitenArrList[3][BaseArrUB_Y - Y, X] = SetVal;

                KaitenArrList[4][X, BaseArrUB_Y - Y] = SetVal;
                KaitenArrList[5][BaseArrUB_Y - Y, BaseArrUB_X - X] = SetVal;
                KaitenArrList[6][BaseArrUB_X - X, Y] = SetVal;
                KaitenArrList[7][Y, X] = SetVal;
            }
        }

        //Distinctする
        for (int I = KaitenArrList.Count - 1; 0 <= I; I--) {
            for (int J = 0; J <= I - 1; J++) {
                if (KaitenArrList[I].GetUpperBound(0) !=
                    KaitenArrList[J].GetUpperBound(0)) continue;
                if (KaitenArrList[I].GetUpperBound(1) !=
                    KaitenArrList[J].GetUpperBound(1)) continue;

                IEnumerable<bool> wkEnum1 = KaitenArrList[I].Cast<bool>();
                IEnumerable<bool> wkEnum2 = KaitenArrList[J].Cast<bool>();
                if (wkEnum1.SequenceEqual(wkEnum2) == false) continue;

                KaitenArrList.RemoveAt(I);
                break;
            }
        }
        return KaitenArrList;
    }

    //マス目にピースを埋めれるか
    static bool CanFillPiece(bool[,] pPieceMap, int pTargetX, int pTargetY, char[,] pBanArr)
    {
        for (int X = 0; X <= pPieceMap.GetUpperBound(0); X++) {
            if (pTargetX + X > UB_X) return false;
            for (int Y = 0; Y <= pPieceMap.GetUpperBound(1); Y++) {
                if (pTargetY + Y > UB_Y) return false;
                if (pPieceMap[X, Y] && pBanArr[pTargetX + X, pTargetY + Y] != ' ')
                    return false;
            }
        }
        return true;
    }

    //解を出力
    static void PrintAnswer(char[,] pBanArr)
    {
        var sb = new System.Text.StringBuilder();

        IEnumerable<char> wkEnum = pBanArr.Cast<char>();
        sb.AppendFormat("Tペントミノが{0}個で、Uペントミノが{1}個",
            wkEnum.Count(X => X == 'T') / 5, wkEnum.Count(X => X == 'U') / 5);
        sb.AppendLine();

        for (int Y = 0; Y <= UB_Y; Y++) {
            for (int X = 0; X <= UB_X; X++) {
                sb.Append(pBanArr[X, Y]);
            }
            sb.AppendLine();
        }
        Console.WriteLine(sb.ToString());
    }
}


実行結果

省略
面積=320(横  4、縦 80)の長方形を判定中。経過時間=00:01:08.6614181
面積=320(横  5、縦 64)の長方形を判定中。経過時間=00:01:08.6616637
面積=320(横  8、縦 40)の長方形を判定中。経過時間=00:01:08.6620528
面積=320(横 10、縦 32)の長方形を判定中。経過時間=00:01:08.6657759
面積=320(横 16、縦 20)の長方形を判定中。経過時間=00:01:08.6760870
面積=325(横  5、縦 65)の長方形を判定中。経過時間=00:02:09.7083104
面積=325(横 13、縦 25)の長方形を判定中。経過時間=00:02:09.7088965
解を発見
Tペントミノが26個で、Uペントミノが39個
UUTTTUUTTTUUU
UUUTTUUUTUUUU
UUUTTUUUTUUUT
TUUTTTUUUUTTT
TTTUUUTTTUUUT
TUUUUUUTUUUUU
UUUTUUUTUUUUU
UUUTTTTUUUTUU
UUTTTTTUUUTUU
UUTTTTTUUTTTU
UTTTTUUUUUUUU
UUTTTUTUUTUUU
TTTTTTTTTTTTU
UUTTTUTUUTUUU
UTTTTUUUUUUUU
UUTTTTTUUTTTU
UUTTTTTUUUTUU
UUUTTTTUUUTUU
UUUTUUUTUUUUU
TUUUUUUTUUUUU
TTTUUUTTTUUUT
TUUTTTUUUUTTT
UUUTTUUUTUUUT
UUUTTUUUTUUUU
UUTTTUUTTTUUU


解説

面積を5ずつ増やしながら、深さ優先探索で解を探してます。