Expressar um número

Nos anos 60, os franceses inventaram o programa de TV "Des Chiffres et des Lettres" (Dígitos e letras). O objetivo da parte Dígitos do programa era chegar o mais próximo possível de um determinado número-alvo de três dígitos, usando alguns números selecionados aleatoriamente. Os participantes poderiam usar os seguintes operadores:

• concatenação (1 e 2 são 12)
• adição (1 + 2 é 3)
• subtração (5 - 3 = 2)
• divisão (8/2 = 4); divisão só é permitida se o resultado for um número natural
• multiplicação (2 * 3 = 6)
• parênteses, para substituir a precedência regular das operações: 2 * (3 + 4) = 14

Cada número dado pode ser usado apenas uma vez ou não.

Por exemplo, o número de destino 728 pode ser correspondido exatamente com os números: 6, 10, 25, 75, 5 e 50 com a seguinte expressão:

75 * 10 - ( ( 6 + 5 ) * ( 50 / 25 ) ) = 750 - ( 11 * 2 ) = 750 - 22 = 728

Nesse desafio de código, você terá a tarefa de encontrar uma expressão o mais próximo possível de um determinado número de destino. Como vivemos no século XXI, apresentaremos números-alvo maiores e mais números para trabalhar do que nos anos 60.

Regras

• Operadores permitidos: concatenação, +, -, /, *, (e)
• O operador de concatenação não possui símbolo. Apenas concatene os números.
• Não há "concatenação inversa". 69 é 69 e não pode ser dividido em 6 e 9.
• O número de destino é um número inteiro positivo e tem um máximo de 18 dígitos.
• Existem pelo menos dois números para trabalhar e no máximo 99 números. Esses números também são números inteiros positivos com um máximo de 18 dígitos.
• É possível (na verdade, muito provavelmente) que o número alvo não possa ser expresso em termos de números e operadores. O objetivo é chegar o mais próximo possível.
• O programa deve terminar em um tempo razoável (alguns minutos em um PC de mesa moderno).
• Aplicam-se brechas padrão.
• Seu programa pode não estar otimizado para o conjunto de testes na seção "pontuação" deste quebra-cabeça. Reservo-me o direito de alterar o conjunto de testes se suspeitar que alguém esteja violando essa regra.
• Este não é um codegolf.

Entrada

A entrada consiste em uma matriz de números que pode ser formatada de qualquer maneira conveniente. O primeiro número é o número de destino. O restante dos números são os números com os quais você deve trabalhar para formar o número de destino.

Resultado

Os requisitos para a saída são:

• Deve ser uma string que consiste em:
  • qualquer subconjunto dos números de entrada (exceto o número de destino)
  • qualquer número de operadores
• Prefiro que a saída seja uma única linha sem espaços, mas se for necessário, você poderá adicionar espaços e novas linhas como achar melhor. Eles serão ignorados no programa de controle.
• A saída deve ser uma expressão matemática válida.

Exemplos

Para facilitar a leitura, todos esses exemplos têm uma solução exata e cada número de entrada é usado exatamente uma vez.

Entrada: 1515483, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
Saída:111*111*(111+11+1)

Entrada: 153135, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
Saída:123*(456+789)

Entrada: 8888888888, 9, 9, 9, 99, 99, 99, 999, 999, 999, 9999, 9999, 9999, 99999, 99999, 99999, 1
Saída:9*99*999*9999-9999999-999999-99999-99999-99999-9999-999-9-1

Entrada: 207901, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0
Saída:1+2*(3+4)*(5+6)*(7+8)*90

Entrada: 34943, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 Saída: 1+2*(3+4*(5+6*(7+8*90))) Mas também a saída válida é:34957-6-8

Pontuação

A pontuação da penalidade de um programa é a soma dos erros relativos das expressões para o conjunto de testes abaixo.

Por exemplo, se o valor alvo for 125 e sua expressão der 120, sua pontuação de penalidade será abs (1 - 120/125) = 0,04.

O programa com a pontuação mais baixa (menor erro relativo total) vence. Se dois programas terminarem igualmente, a primeira inscrição vence.

Finalmente, o conjunto de testes (8 casos):

14142, 10, 11, 12, 13, 14, 15
48077691, 6, 9, 66, 69, 666, 669, 696, 699, 966, 969, 996, 999
333723173, 3, 3, 3, 33, 333, 3333, 33333, 333333, 3333333, 33333333, 333333333
589637567, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5
8067171096, 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47, 53, 59, 61, 67, 71, 73, 79, 83, 89, 97, 101, 103, 107, 109, 113, 127, 131, 137, 139, 149, 151, 157, 163, 167, 173, 179, 181, 191, 193, 197, 199
78649377055, 0, 2, 6, 12, 20, 30, 42, 56, 72, 90, 110, 132, 156, 182, 210, 240, 272, 306, 342, 380, 420, 462, 506, 552, 600, 650, 702, 756, 812, 870, 930, 992
792787123866, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584, 4181, 6765, 10946, 17711, 28657, 46368, 75025, 121393, 196418, 317811, 514229, 832040, 1346269, 2178309, 3524578, 5702887, 9227465, 14930352, 24157817, 39088169
2423473942768, 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 5000, 10000, 20000, 50000, 100000, 2000000, 5000000, 10000000, 20000000, 50000000

Puzzles semelhantes anteriores

Depois de criar esse quebra-cabeça e publicá-lo na caixa de areia, notei algo semelhante (mas não o mesmo!) Em dois quebra-cabeças anteriores: aqui (sem soluções) e aqui . Esse quebra-cabeça é um pouco diferente, porque apresenta o operador de concatenação, não procuro uma correspondência exata e gosto de ver estratégias para chegar perto da solução sem força bruta. Eu acho que é desafiador.

C ++ 17, pontuação .0086

Este programa tem pontuação de penalidade não determinística devido a corridas de threads, então estou declarando com base em uma média de três execuções, cada uma das quais lidou com a suíte de testes em menos de um minuto:

score 0.000071 for 14(11*13) = 14143
score 0.000019 for (696699+66)*69 = 48076785
score 0.000069 for 333333+333333333+33333 = 333699999
score 0.000975 for 5(1((((555555255-1-1-4-5-5-5-5-4-4-4-4-4-4-4-4-4-4-4-4-4-5-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-5)/2*3/2-2)/2*3+2+1+1+1+1-1-1)/2*2/2/2/2)/2) = 589062470
score 0.000462 for (((199181197*41-193-191-179-173-167-163-157-151-149-139-137-131-127-113-109-107-103-101-97-89-83-79-73-71-67-61-59-53-47-43-17-3)/5*7+23)/2/11*13+19)/31*37 = 8063447296
score 0.000118 for (992930870*72+812+756+702+650+600+552+506+462+420+380+342-42-56-182-12-210-156-90-20-272-30-6-306)/240*132*2 = 78640130184
score 0.000512 for (((317811*832040*3-39088169-24157817-14930352-9227465-5702887-2178309-1346269-3524578-514229-196418-121393-17711-233-75025-46368-89-28657-4181-10946-6765-34-987-2584-13-610-8-1)/2-377-144)/5-1597)1 = 793193194211
score 0.005725 for 2(20((120000000*20000+50000000+10000000+5000000+2000000+100000+50000+10000+5000+2000-500-1000)/50)/5)+200+100+10 = 2409600268972
total score = .007951

real    0m57.876s
user    4m24.396s
sys     0m0.684s

score 0.000071 for 14(11*13) = 14143
score 0.000019 for (696699+66)*69 = 48076785
score 0.000069 for 333333+333333333+33333 = 333699999
score 0.001675 for (3((((((((555555455+5+5+5+5-1-1-4-4-4-4-4-4-4-4-4-1-4-4-4-4-5-3-3-3-3-3-4)/2*3/2-1)*2+5)/3*3+3)/2-3-3)/2*3/2*2+2)/2*2/2*3+2+1)/5/2)-1-1-1-1-1-1-1-1-1-2)/2*3 = 590624943
score 0.000973 for ((199181197*41-193-191-179-173-167-163-157-151-149-139-137-131-127-113-107-101-59-97-79-3-71-67-83-2-47-37-73-89-103-19-11-29)/5*7+109-23)/61*43 = 8059325224
score 0.000118 for ((992930870*72+812+756+702+650+600+552+506+462+420+380+342+306+272+240+210+182-0-56-110-20-90)/2-42-156)/30*132/12*6 = 78640132296
score 0.000512 for (((317811*832040*3-39088169-24157817-14930352-9227465-5702887-3524578-514229-196418-2178309-1346269-121393-75025-28657-10946-233-46368-89-17711-2584-6765-610-4181-34-987-55-1)/2-8-144-377)/5-1597)1 = 793193194161
score 0.004734 for 2(20((120000000*20000+50000000+10000000+5000000+2000000+100000+50000+10000+5000+2000-100-1000-500)/200*50/10)/5) = 2412000335827
total score = .008171

real    0m45.636s
user    3m30.272s
sys     0m0.720s

score 0.000071 for 14(11*13) = 14143
score 0.000019 for (696699+66)*69 = 48076785
score 0.000069 for 333333+333333333+33333 = 333699999
score 0.002963 for 1(((((((555555555+5+5+5+5+5+5+4+4+4+4-1-2-4-4-4-4-4-4-4-4-4-4-4-3-3-3-3)/2*3+3+2)/2*2+3+3)/2*2/2/2*3+3)/2-3-3)*3/2-1-3)/2*3/2/2)/2 = 587890622
score 0.000069 for ((((199181197*41-193-191-179-173-167-163-157-151-149-139-137-131-127-113-109-107-103-101-97-89-83-79-73-71-67-61-59-53-47-43-37-11)/7)2+3)/23*17-13-5)/31*29 = 8066615553
score 0.000118 for ((992930870*72+812+756+702+650+600+552+506+462+420+380-0-6-90-56-42-272-182-110-210-342-30-306)*2+12)/240*132 = 78640129524
score 0.000512 for (((317811*832040*3-39088169-24157817-14930352-9227465-5702887-2178309-1346269-3524578-514229-196418-121393-75025-46368-28657-144-55-17711-2584-10946-4181-6765-21-610-987-377-8-1)/2-89-13)/5-233-1597)1 = 793193192491
score 0.005725 for 2(20((120000000*20000+50000000+10000000+5000000+2000000+100000+50000+10000+5000+2000-500-1000)/50)/5)+200+100+10 = 2409600268972
total score = .009546

real    0m57.289s
user    4m19.488s
sys     0m0.708s

Aqui está o programa; explicação é fornecida nos comentários. Você pode definir CONCAT_NONEregras de contagem regressiva tradicionais que não permitem concatenação ou CONCAT_DIGITSconcatenação dos valores de entrada, mas não de resultados intermediários. Por padrão, sem nenhum dos definidos, as regras mais liberais são usadas.

#include <omp.h>

#include <algorithm>
#include <cmath>
#include <memory>
#include <set>
#include <string>
#include <utility>
#include <vector>

// We apply some principles to help us arrive at a good enough solution
// in a reasonable time:

// 1. Ruthlessly prune duplicate expressions from the candidate
//    list.  If we've seen a+b, then there's no need to consider
//    b+a.  Similarly, having seen (a+b)+c, then (a+c)+b can be
//    discounted.
// 2. Detect duplicates by storing batches of part-processed results
//    in sets before sending to the next pass.
// 3. Sort our candidates so that those containing a term near to the
//    target are first in line for further processing.
// 4. Gradually widen our acceptance margin as we proceed.  This
//    allows us to terminate quickly without exhaustively searching
//    the full problem space.
// 5. Parallelize the generation of candidate solutions using OpenMP.

// Define precedence values for our operators, so that we can print
// with the minimum sufficient parentheses.  The values are grouped
// into tens so that add/10 == subtract/10 and mult/10 == divide/10 -
// the operators use that for avoiding duplicate expressions.
static const int PREC_ADD = 26;
static const int PREC_SUBTRACT = 24;
static const int PREC_MULT = 16;
static const int PREC_DIVIDE = 14;
static const int PREC_CONCAT = 2;
static const int PREC_LITERAL = 0;

static const int PREC_MAX = 1000;

class LiteralTerm;

struct Term
{
    long value;
    int precedence;

    Term(long value, int precedence)
        : value(value), precedence(precedence)
    {}
    Term(const Term&) = default;
    virtual ~Term() = default;

    virtual std::string to_string(int p = PREC_MAX) const = 0;
    virtual LiteralTerm as_literal() const = 0;

    long distance(long target) const { return std::abs(value - target); }

    // We sort large values first, in the hope that this will approach
    // the target faster.
    bool operator<(const Term& o) const { return value > o.value; }
};


// We have two kinds of Term: a LiteralTerm is a leaf node of the
// expression tree, and a BinaryTerm is an internal node.
struct Operator;

class LiteralTerm : public Term
{
    std::string s;
public:
    LiteralTerm(std::string s) : Term(std::stol(s), 0), s(s) {}
    LiteralTerm(std::string s, long value) : Term(value, 0), s(s) {}
    std::string to_string(int = PREC_MAX) const override { return s; }
    LiteralTerm as_literal() const override { return *this; }
};

struct BinaryTerm : public Term
{
    Operator const *op;

    std::shared_ptr<const Term> a;
    std::shared_ptr<const Term> b;

    BinaryTerm(long value, const Operator* op, std::shared_ptr<const Term> a, std::shared_ptr<const Term> b);
    BinaryTerm(const BinaryTerm&) = default;
    BinaryTerm& operator=(const BinaryTerm&) = default;

    std::string to_string(int p = PREC_MAX) const;

    LiteralTerm as_literal() const override { return { to_string(), value }; }
};

struct TermList {
    std::vector<std::shared_ptr<const Term>> terms;
    std::vector<long> values;
    long target_value;
    long badness;

    TermList(std::vector<std::shared_ptr<const Term>> terms, long target_value)
        : terms(std::move(terms)),
          values(),
          target_value(target_value),
          badness(min_badness(this->terms, target_value))
    {
        values.reserve(terms.size());
        std::transform(terms.begin(), terms.end(),
                       std::back_inserter(values), [](auto t) { return t->value; });
        // Literals that begin with "0" need to be distinct from (but
        // adjacent to) equivalent non-literals.  Append a negative
        // value for each term with leading zeros.  There's an edge
        // case involving multiple leading zeros, but we'll ignore
        // that.
        for (const auto& v: terms)
            if (v->precedence <= PREC_CONCAT && v->value > 0 && v->to_string()[0] == '0')
                values.push_back(-v->value);
    }

    // Sort according to the term that's nearest to the target.
    bool operator<(const TermList& o) const
    {
        return std::make_tuple(std::cref(badness),   std::cref(values))
            <  std::make_tuple(std::cref(o.badness), std::cref(o.values));
    }

private:
    static long min_badness(const std::vector<std::shared_ptr<const Term>>& t, long target_value)
    {
        auto less_bad = [target_value](const auto& a, const auto&b)
            { return a->distance(target_value) < b->distance(target_value); };
        auto const& e = *std::min_element(t.begin(), t.end(), less_bad);
        return std::abs(e->value - target_value);
    }
};

using Set = std::set<TermList>;

// Detect duplicate expressions.  This will discount "3+2-3", "8*5*2/3/5"
// and similar expressions that contain simple pairs of inverse operands.
static bool contains_value(const Term& t, int precedence, long value)
{
    auto *const b = dynamic_cast<const BinaryTerm*>(&t);
    if (t.precedence == precedence)
        return t.value == value
            || b && b->b->value < value
            || b && contains_value(*b->a, precedence, value)
            || b && contains_value(*b->b, precedence, value);
    if (t.precedence/10 == precedence/10)
        // Advance through the subtractions to inspect the additions
        // (or through the divides to inspect the multiplications).
        return b && contains_value(*b->a, precedence, value);
    return false;
}

// An Operator is a factory producing binary terms of a given type,
// and for printing those terms.  Here's the abstract base class.
struct Operator
{
    using TermPointer = std::shared_ptr<const Term>;
    using BinaryTermPointer = std::shared_ptr<const BinaryTerm>;

    int const precedence;
    std::string const joiner;

    virtual std::string to_string(const Term &a, const Term &b) const {
        return a.to_string(precedence) + joiner + b.to_string(precedence);
    }

    virtual BinaryTermPointer make_term(TermPointer a, TermPointer b) const {
        long r = evaluate(*a, *b);
        return r ? std::make_shared<BinaryTerm>(r, this, a, b) : BinaryTermPointer();
    }

    virtual ~Operator() = default;

protected:
    Operator(int precedence, std::string joiner) : precedence(precedence), joiner(joiner) {}

    virtual long evaluate(const Term& a, const Term& b) const = 0;
};

// Now we define a subclass for each permitted operator
struct AddOperator : Operator
{
    AddOperator() : Operator(PREC_ADD, "+") {}

    long evaluate(const Term& a, const Term& b) const override
    {
        const auto *d = dynamic_cast<const BinaryTerm*>(&a);
        long r;
        return b.precedence/10 != PREC_ADD/10
            && a.precedence != PREC_SUBTRACT
            && b.value > 0
            && ! (d && d->precedence == this->precedence && d->b->value < b.value)
            && !__builtin_add_overflow(a.value, b.value, &r)
            ? r : 0;
    }
};
struct SubtractOperator : Operator
{
    SubtractOperator() : Operator(PREC_SUBTRACT, "-") {}

    long evaluate(const Term& a, const Term& b) const override
    {
        return b.precedence < PREC_SUBTRACT
            && a.value > b.value
            && !contains_value(a, PREC_ADD, b.value)
            ? a.value - b.value : 0;
    }
};
struct MultiplyOperator : Operator
{
    MultiplyOperator() : Operator(PREC_MULT, "*") {}

    long evaluate(const Term& a, const Term& b) const override
    {
        const auto *d = dynamic_cast<const BinaryTerm*>(&a);
        long r;
        return b.precedence/10 != PREC_MULT/10
            && b.value > 1
            && (b.value > 2 || a.value > 2)
            && ! (d && d->precedence == this->precedence && d->b->value < b.value)
            && !__builtin_mul_overflow(a.value, b.value, &r)
            ? r : 0;
    }
};
struct DivideOperator : Operator
{
    DivideOperator() : Operator(PREC_DIVIDE, "/") {}

    long evaluate(const Term& a, const Term& b) const override
    {
        return b.precedence/10 != PREC_DIVIDE/10 && b.value > 1
            && a.value % b.value == 0
            && !contains_value(a, PREC_MULT, b.value)
            ? a.value / b.value : 0;
    }
};

struct ConcatOperator : Operator
{
    ConcatOperator() : Operator(PREC_CONCAT, "") {}

    long evaluate(const Term& a, const Term& b) const override
    {
#ifdef CONCAT_DIGITS
        if (a.precedence > PREC_CONCAT || a.value == 0 || b.precedence >= PREC_CONCAT)
            return 0;
#else  // CONCAT_FULL
        if (b.precedence == PREC_CONCAT || a.value == 0)
            return 0;
#endif
        long bv = b.value, av = a.value, x = 1, r;
        if (b.precedence > PREC_CONCAT) while (x <= bv) x*= 10;
        else { int d = b.to_string().length(); while (d--) x*= 10; }
        return __builtin_mul_overflow(av, x, &r) || __builtin_add_overflow(r, bv, &r) ? 0 : r;
    }
};
struct ReverseConcatOperator : ConcatOperator
{
    BinaryTermPointer make_term(TermPointer a, TermPointer b) const override
    {
        return ConcatOperator::make_term(b, a);
    }
};

static const std::vector<std::shared_ptr<const Operator>> ops{
#ifndef CONCAT_NONE
        std::make_shared<ConcatOperator>(),
        std::make_shared<ReverseConcatOperator>(),
#endif
        std::make_shared<MultiplyOperator>(),
        std::make_shared<AddOperator>(),
        std::make_shared<SubtractOperator>(),
        std::make_shared<DivideOperator>(),
};


// Implement the BinaryTerm members that use Operator
BinaryTerm::BinaryTerm(long value, const Operator* op, std::shared_ptr<const Term> a, std::shared_ptr<const Term> b)
    : Term(value, op->precedence), op(op), a(std::move(a)), b(std::move(b))
{}

std::string BinaryTerm::to_string(int p) const
{
    auto const s = op->to_string(*a, *b);
    return (p/10) < (precedence/10) ? "("+s+")" : s;
}


// An object to represent our target value, and how close we have
// reached so far.
struct Target
{
    const long value;
    double max_badness = 0;

    LiteralTerm best = {"0"};
    long best_badness = value;

    bool done() const { return best_badness < max_badness; }
    double score() const { return 1.*best_badness/value; }

    void update(const Term& t)
    {
        auto badness = std::abs(t.value - value);
        if (badness < best_badness) {
            best = t.as_literal();
            best_badness = badness;
        }
    }

    void update(const TermList& terms)
    {
        for (auto t: terms.terms)
            update(*t);
    }

    void increase_threshold(size_t items_seen)
    {
        // Adjust our acceptance threshold nearer to accepting 0 by
        // 0.01% for every million values seen.
        max_badness += (value - max_badness) * .0001 * std::exp(items_seen / 1000000);
    }
};

// OpenMP reduction for sets
auto merge(auto& a, auto& b)
{
    auto it = a.begin();
    for (auto&& e: b)
        it = a.insert(std::move(e)).first;
    return a;
}
#pragma omp declare reduction(merge: Set: merge<Set>(omp_out, omp_in) ) \
    initializer(omp_priv = Set())


// We run a cascade of pair-wise combination steps, where for each
// input TermList, we generate every possible allowed pairing of its
// terms, and pass that through (in batches) to the next stage.
struct Combiner
{
    std::unique_ptr<Combiner> const next;
    Target& target;
    size_t const max_output_size;
    size_t const nterms;

    Set input = {};
    size_t output_size = 0;

    Combiner(Target& target, size_t nterms, size_t max_output_size)
        : next(nterms > 0 ? std::make_unique<Combiner>(target, nterms-1, max_output_size) : nullptr),
          target(target),
          max_output_size(max_output_size),
          nterms(nterms)
    {}

    inline void insert(const TermList&& t)
    {
        target.update(t);
        if (target.done()) return;
        if (next) {
            if (input.insert(t).second)
                output_size += count_distinct_pairs(t);
            if (output_size >= max_output_size)
                process_input();
        }
    }

    void finish()
    {
        process_input();
        if (next)
            next->finish();
    }

private:
    // Here's where we do the real work - generating and sifting the
    // combined terms for the next pass.
    void process_input()
    {
        if (target.done()) {
            return;
        }

        if (!next)
            return;

        // Move the elements into a vector, so we can parallelize the
        // for-loop.
        auto in = std::vector<Set::value_type>();
        in.reserve(input.size());
        std::move(input.begin(), input.end(), std::back_inserter(in));
        input.clear();
        output_size = 0;

        auto out = Set();

#pragma omp parallel reduction(merge:out)
        {
#pragma omp for
            for (auto it = in.begin();  it < in.end();  ++it)
            {
                try {
                    const auto end = it->terms.cend();
                    for (auto i = it->terms.cbegin();  i != end;  i = std::upper_bound(i, end, *i))
                        for (auto j = i+1;  j != end;  j = std::upper_bound(j, end, *j)) {
                            for (const auto& op: ops) {
                                auto x = op->make_term(*i, *j);
                                if (x) out.insert(replace(*it, i, j, x));
                            }
                        }
                } catch (const std::bad_alloc&) {
                    // Ignore it; process what we've generated so far.
                }
            }
        }

        // Now we're in single-threaded code, we can pass the combined
        // results to the next combiner.
        for (auto& o: out)
            next->insert(std::move(o));

        target.increase_threshold(out.size());
    }


    // Helper methods used by the above

    // An upper bound on the possible number of output TermLists,
    // assuming every combination is valid.  If all n terms in the
    // input list are distinct, that's just ½n(n-1), but if values
    // are duplicated, we need to reduce n to the number of distinct
    // values, and then add in the cases where we pick two of the
    // same value.
    static int count_distinct_pairs(const TermList& terms)
    {
        int distinct = 0, duplicated = 0;
        auto it = terms.terms.begin(),
            end = terms.terms.end();
        while (it != end) {
            ++distinct;
            auto const& v = (*it)->value;
            if (++it == end || (*it)->value != v) continue;
            ++duplicated;
            while (++it != end && (*it)->value == v)
                ;
        }
        return distinct * (distinct - 1) / 2 + duplicated;
    }

    // Create a new TermList from o by replacing elements i and j with
    // newly-created term n.
    static TermList replace(const TermList& o, auto i, auto j, std::shared_ptr<const Term> n)
    {
        std::vector<std::shared_ptr<const Term>> r;
        r.reserve(o.terms.size() - 1);
        auto added = false;
        for (auto k = o.terms.begin();  k != o.terms.end();  ++k) {
            if (!added && (*k)->value < n->value) { r.push_back(n); added = true; }
            if (k != i && k != j) r.push_back(*k);
        }
        if (!added) r.push_back(n);
        return { r, o.target_value };
    }
};


#include <iostream>
std::ostream& operator<<(std::ostream& o, const Term& t)
{
    return o << t.to_string()<< " = " << t.value;
}
std::ostream& operator<<(std::ostream& o, const TermList& t)
{
    auto *sep = "";
    o << "[" << t.badness << "] ";
    for (auto const& x: t.terms)
        o << sep << *x, sep = ", ";
    return o;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    if (argc < 3) {
        std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " target term ...";
        return EXIT_FAILURE;
    }
    auto target = Target{std::stol(*++argv)};

    std::vector<std::shared_ptr<const Term>> terms;
    while (*++argv) {
        auto t = std::make_shared<LiteralTerm>(*argv);
        target.update(*t);
        terms.push_back(t);
    }
    std::sort(terms.begin(), terms.end());

    // Construct the sieve
    Combiner search{target, terms.size(), 2500000/terms.size() + 1}; // tunable - max set size
    search.insert({terms, target.value});
    search.finish();

    std::cout << "score " << std::fixed << target.score() << " for " << target.best << std::endl;
}

Compilei isso usando o GCC 6.2, usando g++ -std=c++17 -fopenmp -march=native -O3(junto com algumas opções de depuração e aviso).

Python 2.7. Pontuação: 1,67039106

Então, eu decidi jogar sozinho. Nada muito chique. Este programa classifica os números na ordem inversa (grande a pequena) e tenta todos os operadores seqüencialmente nos números. Extremamente rápido, mas um desempenho que merece ser substituído.

Aqui está o programa:

import sys

def score(current,target):
    return abs(1.0-current/float(target))

# Process input and init variables
targetvalue=int(sys.argv[1].strip(','))
numbers=[int(a.strip(',')) for a in sys.argv[2:]]
numbers.sort(reverse=True)
expression='('+str(numbers[0])+')'
currentvalue=nextvalue=testvalue=numbers[0]

# Loop over all values (except the first one)
for value in numbers[1:]:
    # Set multiplication as the reference operator...
    testvalue=currentvalue*value
    minscore=score(testvalue,targetvalue)
    operator="*"
    nextvalue=testvalue

    # then try division (only if result is integer and not divided by zero)...
    if value!=0 and currentvalue%value==0:
        testvalue=currentvalue/value
        if score(testvalue,targetvalue)<minscore:
            operator="/"
            minscore=score(testvalue,targetvalue)
            nextvalue=testvalue

    # and addition...
    testvalue=currentvalue+value
    if score(testvalue,targetvalue)<minscore:
        operator="+"
        minscore=score(testvalue,targetvalue)
        nextvalue=testvalue

    # and subtraction...
    testvalue=currentvalue-value
    if score(testvalue,targetvalue)<minscore:
        operator="-"
        minscore=score(testvalue,targetvalue)
        nextvalue=testvalue

    # and concatenation
    testvalue=int(str(currentvalue)+str(value))
    if score(testvalue,targetvalue)<minscore:
        operator=""
        minscore=score(testvalue,targetvalue)
        nextvalue=testvalue

    # finally check if any operator improces the score. If so, append to the expression
    if score(nextvalue,targetvalue)<score(currentvalue,targetvalue):
        expression='('+expression+operator+str(value)+')'
        currentvalue=nextvalue

print(expression)

A saída para todos os casos de teste é:

((((((15)14)*13)-12)-11)-10)
((((((((((((999)996)+969)+966)+699)+696)+669)+666)*69)-66)-9)-6)
(((((((((333333333)+333333)+33333)+3333)+333)+33)+3)+3)+3)
(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((5)5)5)5)5)5)5)5)5)+5)+5)+5)+5)+5)+5)+4)+4)+4)+4)+4)+4)+4)+4)+4)+4)+4)+4)+4)+4)+4)+3)+3)+3)+3)+3)+3)+3)+3)+3)+3)+3)+3)+3)+3)+3)+2)+2)+2)+2)+2)+2)+2)+2)+2)+2)+2)+2)+2)+2)+2)+1)+1)+1)+1)+1)+1)+1)+1)+1)+1)+1)+1)+1)+1)+1)
((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((199)197)193)+191)+181)+179)+173)+167)+163)+157)+151)+149)+139)+137)+131)+127)+113)+109)+107)+103)+101)+97)+89)+83)*79)-73)-71)-67)-61)-59)-53)-47)-43)-41)-37)-31)-29)-23)-19)-17)-13)-11)-7)-5)-3)/2)
(((((((((((((((((((((((((((((((992)930)870)+812)+756)+702)+650)+600)+552)+506)+462)+420)+380)+342)+306)+272)+240)+210)+182)*156)-132)-110)-90)-72)-56)-42)-30)/20)*12)-6)-2)
((((((((((((((((((((((((((((((((((((((39088169)+24157817)+14930352)+9227465)+5702887)+3524578)+2178309)+1346269)+832040)+514229)+317811)+196418)+121393)+75025)+46368)+28657)+17711)*10946)-6765)-4181)-2584)-1597)-987)-610)-377)-233)-144)-89)-55)-34)-21)-13)-8)-5)-3)/2)+1)+1)
(((((((((((((((((((((50000000)+20000000)+10000000)+5000000)+2000000)+100000)*50000)-20000)-10000)-5000)-2000)-1000)-500)-200)-100)-50)-20)-10)/5)*2)+1)