[题解] [NOI Online 2021 入门组 T3] 重力球

题目大意

在一个 \(n\times n\) 的矩形中，题目会给出 \(m\) 个障碍物。有两个小球，你可以选定四个方向（上下左右）的其中一个，小球会朝着这四个方向一直滚动，直到遇到障碍物或是矩形的边缘停止。有 \(q\) 条形如 \(a\) \(b\) \(c\) \(d\) 的询问，代表两个小球的坐标 \((a,b)\) 和 \((c,d)\) ，求多少步，小球会重叠。

题目链接

思路

55pts

首先考虑暴力，先预处理出所有点滚动会滚动到哪里，写四个 \(dfs\) 完事。

int L(int i, int j) {//向左滚
	if(stn[i][j - 1]) {
		l[i][j] = L(i, j - 1);
		return l[i][j];
	}
	else
		l[i][j] = j;
	return j;
}
int U(int i, int j) {//向上滚
	if(stn[i - 1][j]) {
		u[i][j] = U(i - 1, j);
		return u[i][j];
	}
	else
		u[i][j] = i;
	return i;
}
int R(int i, int j) {//向右滚
	if(stn[i][j + 1]) {
		r[i][j] = R(i, j + 1);
		return r[i][j];
	}
	else
		r[i][j] = j;
	return j;
}
int D(int i, int j) {//向下滚
	if(stn[i + 1][j]) {
		w[i][j] = D(i + 1, j);
		return w[i][j];
	}
	else
		w[i][j] = i;
	return i;
}

主函数中：

for(int i = 1; i <= n; i++) {
	for(int j = 1; j <= n; j++) {
		if(!stn[i][j])//小球不会到障碍物上
			continue;
		if(!r[i][j])
			R(i, j);
		if(!w[i][j])
			D(i, j);
	}
}
for(int i = n; i >= 1; i--) {
	for(int j = n; j >= 1; j--) {
		if(!stn[i][j])//小球不会到障碍物上
			continue;
		if(!l[i][j])
			L(i, j);
		if(!u[i][j])
			U(i, j);
	}
}

然后无脑 \(BFS\) ，\(TLE\) 。（ \(55pts\) 亲测）

主体部分

void BFS() {
	q.push(Node(a, b, c, d, 0));
	if(a == c && b == d) {
		printf("0\n");
		return;
	}
	while(!q.empty()) {
		Node now = q.front(); q.pop();
		Node next = now;
		next.step++;
		next.Y_1 = l[next.X_1][next.Y_1];
		next.Y_2 = l[next.X_2][next.Y_2];
		if(next.X_1 == next.X_2 && next.Y_1 == next.Y_2) {
			printf("%d\n", next.step);
			return;
		}
		int tmp = Get_Hash(next.X_1, next.X_2, next.Y_1, next.Y_2);
		if(!f[tmp]) {
			f[tmp] = 1;
			q.push(next);
		}
		
		
		next = now;
		next.step++;
		next.Y_1 = r[next.X_1][next.Y_1];
		next.Y_2 = r[next.X_2][next.Y_2];
		if(next.X_1 == next.X_2 && next.Y_1 == next.Y_2) {
			printf("%d\n", next.step);
			return;
		}
		tmp = Get_Hash(next.X_1, next.X_2, next.Y_1, next.Y_2);
		if(!f[tmp]) {
			f[tmp] = 1;
			q.push(next);
		}
		
		
		next = now;
		next.step++;
		next.X_1 = u[next.X_1][next.Y_1];
		next.X_2 = u[next.X_2][next.Y_2];
		if(next.X_1 == next.X_2 && next.Y_1 == next.Y_2) {
			printf("%d\n", next.step);
			return;
		}
		tmp = Get_Hash(next.X_1, next.X_2, next.Y_1, next.Y_2);
		if(!f[tmp]) {
			f[tmp] = 1;
			q.push(next);
		}
		
		next = now;
		next.step++;
		next.X_1 = w[next.X_1][next.Y_1];
		next.X_2 = w[next.X_2][next.Y_2];
		if(next.X_1 == next.X_2 && next.Y_1 == next.Y_2) {
			printf("%d\n", next.step);
			return;
		}
		tmp = Get_Hash(next.X_1, next.X_2, next.Y_1, next.Y_2);
		if(!f[tmp]) {
			f[tmp] = 1;
			q.push(next);
		}
	}
	printf("-1\n");
}

100pts

考虑逆推求出所有状态的最小满足条件步数。

不难发现，经过一次的滚动后，小球会落在障碍物的旁边或是矩阵的边缘。一共有 \((4m+4n)\) 中状态，那么两个求就一共有 \((4m+4n)^2\) 种状态，可以往四边滚，那么可以将会与其他的四种状态有联系。

在考虑将这些点进行 \(hash\) 相连。那么就成为了一个多源最短路问题。将一个超级源点 \(s\) 连向每个两小球重叠的哈希值连边。同时当前状态与下一个状态建立反边，跑最短路即可。

由于边长都为 \(1\) ，则可以使用 \(BFS\) 来求最短路，时间复杂度为 \(O(4(4m+4n)^2)\) 。

最后是查询的问题，也比较简单， 分四个方向先滚动一次，那么步数就是 \(dis[tmp]+1\) （ \(dis\) 记录最短路， \(tmp\) 为当前状态的哈希值）。但值得注意的是，若滚动前和滚动后两个小球的位置没有改变，则不需要加一。

细节代码上有注释。

Code

#include <queue>
#include <cstdio>
using namespace std;
#define INF 0x3f3f3f3f
const int MAXN = 2e3 + 5;
const int MAXM = 5e7 + 5;
struct Node {//小球的位置
	int X_1, Y_1, X_2, Y_2;
	Node() {}
	Node(int A, int B, int C, int D) {
		X_1 = A;
		Y_1 = B;
		X_2 = C;
		Y_2 = D;
	}
	friend bool operator == (Node x, Node y) {
		return (x.X_1 == y.X_1) && (x.X_2 == y.X_2) && (x.Y_1 == y.Y_1) && (x.Y_2 == y.Y_2);
	}
};
struct Edge {//链式前向星存边，别用vector
	int To, Next;
};
Edge edge[MAXM];
int head[MAXM];
int u[MAXN][MAXN], w[MAXN][MAXN], l[MAXN][MAXN], r[MAXN][MAXN];
bool stn[MAXN][MAXN], can[MAXN][MAXN], vis[MAXM];
int dis[MAXM], Hash[MAXN][MAXN];
pair<int, int> id[MAXN];
queue<int> q;
int x[MAXN], y[MAXN];
int n, m, s, Q;
int a, b, c, d;
int tot, cnt;
void Addedge(int u, int v) {//加入边
	edge[++tot].Next = head[u];
	edge[tot].To = v;
	head[u] = tot;
}
int Get_Hash(int A, int B, int C, int D) {//哈希值
	if(A > C || (A == C && B > D)) {//注意先排序，再hash
		swap(A, C);
		swap(B, D);
	}
	int x = Hash[A][B];
	int y = Hash[C][D];
	return x * 2001 + y;//共有(4n+4m)种状态，大概是2000，这样不会发生冲突
}
int L(int i, int j) {//向左走
	if(stn[i][j - 1]) {
		l[i][j] = L(i, j - 1);
		return l[i][j];
	}
	else
		l[i][j] = j;
	return j;
}
int U(int i, int j) {//向上走
	if(stn[i - 1][j]) {
		u[i][j] = U(i - 1, j);
		return u[i][j];
	}
	else
		u[i][j] = i;
	return i;
}
int R(int i, int j) {//向右走
	if(stn[i][j + 1]) {
		r[i][j] = R(i, j + 1);
		return r[i][j];
	}
	else
		r[i][j] = j;
	return j;
}
int D(int i, int j) {//向下走
	if(stn[i + 1][j]) {
		w[i][j] = D(i + 1, j);
		return w[i][j];
	}
	else
		w[i][j] = i;
	return i;
}
void Build() {//建图
	int tmp;
	for(int i = 1; i <= n; i++)
		for(int j = 1; j <= n; j++)
			if(can[i][j] && stn[i][j]) {//是障碍物边缘且不失障碍物
				id[++cnt].first = i;
				id[cnt].second = j;
				Hash[i][j] = cnt;
				tmp = Get_Hash(i, j, i, j);
				Addedge(s, tmp);//超级源点连结果
			}
	for(int i = 1; i <= cnt; i++) {
		for(int j = i + 1; j <= cnt; j++) {//下一状态连边，注意是反向边
			Node now = Node(id[i].first, id[i].second, id[j].first, id[j].second);
			int to = Get_Hash(id[i].first, id[i].second, id[j].first, id[j].second);
			Node next = now;
			next.Y_1 = l[next.X_1][next.Y_1];
			next.Y_2 = l[next.X_2][next.Y_2];
			int tmp = Get_Hash(next.X_1, next.Y_1, next.X_2, next.Y_2);
			Addedge(tmp, to);
			next = now;
			next.Y_1 = r[next.X_1][next.Y_1];
			next.Y_2 = r[next.X_2][next.Y_2];
			tmp = Get_Hash(next.X_1, next.Y_1, next.X_2, next.Y_2);
			Addedge(tmp, to);
			next = now;
			next.X_1 = u[next.X_1][next.Y_1];
			next.X_2 = u[next.X_2][next.Y_2];
			tmp = Get_Hash(next.X_1, next.Y_1, next.X_2, next.Y_2);
			Addedge(tmp, to);
			next = now;
			next.X_1 = w[next.X_1][next.Y_1];
			next.X_2 = w[next.X_2][next.Y_2];
			tmp = Get_Hash(next.X_1, next.Y_1, next.X_2, next.Y_2);
			Addedge(tmp, to);
		}
	}
}
void Shortestpast() {//多源最短路
	q.push(s);
	vis[s] = 1;
	dis[s] = -1;
	while(!q.empty()) {//边长为1用BFS
		int now = q.front(); q.pop();
		for(int i = head[now]; i; i = edge[i].Next) {
			int next = edge[i].To;
			if(!vis[next]) {
				vis[next] = 1;
				dis[next] = dis[now] + 1;
				q.push(next);
			}
		}
	}
}
int Query() {
	if(a == c && b == d)//已经重叠不用滚
		return 0;
	Node now = Node(a, b, c, d);
	int tmp, res = INF;
	Node next = now;
	next.Y_1 = l[next.X_1][next.Y_1];
	next.Y_2 = l[next.X_2][next.Y_2];
	tmp = Get_Hash(next.X_1, next.Y_1, next.X_2, next.Y_2);
	if(vis[tmp]) {//如果最短路中被标记过才更新
		if(next == now)
			res = min(res, dis[tmp]);//还是在原位置，不加1
		else
			res = min(res, dis[tmp] + 1);
	}
	next = now;
	next.Y_1 = r[next.X_1][next.Y_1];
	next.Y_2 = r[next.X_2][next.Y_2];
	tmp = Get_Hash(next.X_1, next.Y_1, next.X_2, next.Y_2);
	if(vis[tmp]) {
		if(next == now)
			res = min(res, dis[tmp]);
		else
			res = min(res, dis[tmp] + 1);
	}
	next = now;
	next.X_1 = u[next.X_1][next.Y_1];
	next.X_2 = u[next.X_2][next.Y_2];
	tmp = Get_Hash(next.X_1, next.Y_1, next.X_2, next.Y_2);
	if(vis[tmp]) {
		if(next == now)
			res = min(res, dis[tmp]);
		else
			res = min(res, dis[tmp] + 1);
	}
	next = now;
	next.X_1 = w[next.X_1][next.Y_1];
	next.X_2 = w[next.X_2][next.Y_2];
	tmp = Get_Hash(next.X_1, next.Y_1, next.X_2, next.Y_2);
	if(vis[tmp]) {
		if(next == now)
			res = min(res, dis[tmp]);
		else
			res = min(res, dis[tmp] + 1);
	}
	if(res != INF)
		return res;//找到答案
	return -1;//没有答案
}
int main() {
	scanf("%d %d %d", &n, &m, &Q);
	for(int i = 1; i <= n; i++)
		for(int j = 1; j <= n; j++)
			stn[i][j] = 1;
	for(int i = 1; i <= m; i++) {
		scanf("%d %d", &x[i], &y[i]);
		stn[x[i]][y[i]] = 0;//障碍物标记
		can[x[i]][y[i] + 1] = 1;//障碍物四周标记
		can[x[i] + 1][y[i]] = 1;
		can[x[i]][y[i] - 1] = 1;
		can[x[i] - 1][y[i]] = 1;
	}
	for(int i = 1; i <= n; i++)
		can[1][i] = can[n][i] = can[i][1] = can[i][n] = 1;//矩阵四周标记
	for(int i = 1; i <= n; i++) {
		for(int j = 1; j <= n; j++) {
			if(!stn[i][j])
				continue;
			if(!r[i][j])
				R(i, j);
			if(!w[i][j])
				D(i, j);
		}
	}
	for(int i = n; i >= 1; i--) {
		for(int j = n; j >= 1; j--) {
			if(!stn[i][j])
				continue;
			if(!l[i][j])
				L(i, j);
			if(!u[i][j])
				U(i, j);
		}
	}
	Build();
	Shortestpast();
	for(int i = 1; i <= Q; i++) {
		scanf("%d %d %d %d", &a, &b, &c, &d);
		printf("%d\n", Query());
	}
	return 0;//完结撒花
}