import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.HashSet;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import java.util.Set;
public class PointGame {
/**编程之美 24点游戏
* 1.穷举。计算所有的可能,若能得到24,输出
* 2.分治。引入集合,去重。另外,利用x=5=(0101)来表示(a0,a1,a2,a3)的子集(a1,a3)是非常巧妙的
*/
private static final double DIFF=1E-6F;
private static final int CardsNumber = 4;
private static final int CardMax = 13; //扑克。最大值是13
private static final int ResultValue = 24;
public static void main(String[] args) throws Exception {
int k=0;
while(k<100){ //测试100次
int[] source=new int[CardsNumber];
double[] number=new double[CardsNumber];
String[] result=new String[CardsNumber]; //记录number[i]是通过什么运算表达式得到的
Random random=new Random();
for(int i=0;i<CardsNumber;i++){ //随机生成4个数字
int x=random.nextInt(CardMax)+1;
source[i]=x;
number[i]=x;
result[i]=""+x;
}
//打印参与运算的数字
System.out.println(Arrays.toString(source));
//方法1
boolean ok=PointGame.compute(number,result,CardsNumber);
if(ok){
System.out.println("1. "+result[0]);
}
//方法2
boolean ok2=PointGame.compute(source);
if(ok!=ok2){ //两种方法得到结果(能否生成24)应该是一致的
throw new Exception("something wrong");
}
System.out.println("===================================");
k++;
}
}
//方法1
public static boolean compute(double[] number,String[] result,int n){
if(n==1){
return (Math.abs(number[0]-ResultValue)<DIFF); //number[0]==ResultValue or not
}
for(int i=0;i<n;i++){
for(int j=i+1;j<n;j++){
double a=number[i];
double b=number[j];
String expa=result[i];
String expb=result[j];
//每计算一次,参与运算的数字就少一个。将最后一个数字复制到位置j,可达到缩小(缩短)数组的效果
number[j]=number[n-1];
result[j]=result[n-1];
//加法操作 a+b
number[i] = a+b;
result[i] = '(' + expa + '+' + expb + ')';
if(compute(number,result,n-1)){
return true;
}
//减法操作 a-b
number[i] = a - b;
result[i] = '(' + expa + '-' + expb + ')';
if(compute(number,result,n-1)){
return true;
}
//减法操作 b-a
number[i] = b - a;
result[i] = '(' + expb + '-' + expa + ')';
if(compute(number,result,n-1)){
return true;
}
//乘法操作 a*b
number[i] = a * b;
result[i] = '(' + expa + '*' + expb + ')';
if(compute(number,result,n-1)){
return true;
}
//除法操作 a/b, 如果除数不为0
if(b != 0){
number[i] = a / b;
result[i] = '(' + expa + '/' + expb + ')';
if(compute(number,result,n-1))
{
return true;
}
}
//除法操作 b/a , 如果除数不为0
if(a != 0){
number[i] = b / a;
result[i] = '(' + expb + '/' + expa + ')';
if(compute(number,result,n-1)){
return true;
}
}
number[i] = a;
number[j] = b;
result[i] = expa;
result[j] = expb;
}
}
return false;
}
//方法2
private static final int n=CardsNumber;
private static final int m=(1<<n)-1; //(10000)-1=(1111)=15
private static List<Node>[] S;
public static boolean compute(int[] number){
S=new ArrayList[m+1];
//(a0,a1,a2,a3)的子集(a0),(a1),(a2),(a3)只有一个元素,不用运算直接返回即可
for(int j=0;j<n;j++){
int v=number[j];
Node node=new Node((0.0+v),(""+v));
List<Node> Si=new ArrayList<Node>();
Si.add(node);
int i=1<<j;
S[i]=Si;
}
for(int i=1;i<=m;i++){
List<Node> Si=fun(i);
S[i]=Si;
}
List<Node> Sm=S[m];
for(Node v:Sm){
if(Math.abs(v.value-ResultValue)<DIFF){
System.out.println("2. "+v.exp);
return true;
}
}
return false;
}
//递归求S[i]
public static List<Node> fun(int i){
List<Node> si=S[i];
if(si!=null&&!si.isEmpty()){
return si;
}
si=new ArrayList<Node>();
for(int x=1;x<i;x++){
if((x&i)==x){ //确保x是i的子集
List<Node> sx=fun(x);
List<Node> s_x=fun(i-x);
si.addAll(fork(sx,s_x));
}
}
return si;
}
//集合里元素两两运算并去重
public static List<Node> fork(List<Node> sx,List<Node> s_x){
Set<Node> set=new HashSet<Node>();
for(int i=0,m=sx.size();i<m;i++){
for(int j=0,n=s_x.size();j<n;j++){
Node a=sx.get(i);
Node b=s_x.get(j);
set.add(new Node(a.value+b.value,"("+a.exp+"+"+b.exp+")"));
set.add(new Node(a.value-b.value,"("+a.exp+"-"+b.exp+")"));
set.add(new Node(b.value-a.value,"("+b.exp+"-"+a.exp+")"));
set.add(new Node(a.value*b.value,"("+a.exp+"*"+b.exp+")"));
if(b.value!=0){
set.add(new Node(a.value/b.value,"("+a.exp+"/"+b.exp+")"));
}
if(a.value!=0){
set.add(new Node(b.value/a.value,"("+b.exp+"/"+a.exp+")"));
}
}
}
List<Node> si=new ArrayList<Node>(set);
return si;
}
static class Node{
double value; //表达式的值
String exp; //表达式
Node(double value,String exp){
this.value=value;
this.exp=exp;
}
public boolean equals(Object o) {
if (!(o instanceof Node))
return false;
Node node = (Node) o;
return Double.doubleToLongBits(this.value)==
Double.doubleToLongBits(node.value);
//&&this.exp.equals(node.exp); //只关心值是否相等,不关心表达式
}
public int hashCode() {
int result = 17;
long tolong = Double.doubleToLongBits(value);
result = 37 * result + (int) (tolong ^ (tolong >>> 32));
//result = 37 * result + exp.hashCode();
return result;
}
}
}
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