Para um n fixo, considere n por n matrizes Toeplitz com entradas 0 ou 1. O objetivo é encontrar o determinante máximo sobre todas essas matrizes Toeplitz.

Tarefa

Para cada um nde 1 em diante, imprima o determinante máximo sobre todas as n por n matrizes Toeplitz com entradas que são 0 ou 1. Deve haver uma saída por nqual deve ter o determinante máximo e também uma matriz de exemplo que a atinja.

Ponto

Sua pontuação é a maior que nseu código atinge em 2 minutos no meu computador. Para esclarecer um pouco, seu código pode ser executado por 2 minutos no total, isso não é de 2 minutos por n.

Desempate

Se duas entradas obtiverem a mesma npontuação, a entrada vencedora será a que atingir a maior pontuação nno menor tempo na minha máquina. Se as duas melhores entradas também forem iguais nesse critério, o vencedor será a resposta enviada primeiro.

Línguas e bibliotecas

Você pode usar qualquer idioma e bibliotecas disponíveis gratuitamente que desejar. Devo ser capaz de executar seu código, portanto, inclua uma explicação completa de como executar / compilar seu código no linux, se possível.

Minha máquina Os horários serão executados na minha máquina. Esta é uma instalação padrão do ubuntu em um processador AMD FX-8350 de oito núcleos. Isso também significa que eu preciso poder executar seu código.

Pequenas respostas

Para n = 1..10, as saídas devem ser 1,1,2,3,5,9,32,56,125,315

Essa sequência não está no OEIS e, portanto, a entrada vencedora também propõe uma nova entrada lá.

Entradas até agora

• n=10 n=11por Vioz em Python
• n=9por Tyilo em C
• n=12por Legendre em J
• n=10por Tensibai em R
• n=14por SteelRaven em C ++
• n=14por RetoKoradi em C ++

C ++ com pthreads

Isso chega a n = 14 em menos de 1 minuto na minha máquina. Mas como esse é apenas um laptop de dois núcleos, espero que a máquina de teste de oito núcleos possa terminar n = 15 em menos de 2 minutos. Demora cerca de 4:20 minutos na minha máquina.

Eu realmente esperava encontrar algo mais eficiente. Tem tem que haver uma maneira de calcular o determinate de uma matriz binária de forma mais eficiente. Eu queria criar algum tipo de abordagem de programação dinâmica que conte os termos +1 e -1 no cálculo determinante. Mas isso ainda não está bem definido até agora.

Como a recompensa está prestes a expirar, implementei a abordagem da força bruta padrão:

• Faça um loop sobre todas as matrizes possíveis de Toeplitz.
• Pule um dos dois em cada par de matrizes transpostas. Como a matriz é descrita pelos valores da máscara de bit, isso é simples, ignorando todos os valores em que o reverso da máscara de bit é menor que o próprio máscara de bit.
• O determinado é calculado com uma decomposição do livro-texto LR. Exceto por alguns ajustes menores no desempenho, a principal melhoria que fiz no algoritmo do livro de métodos numéricos da faculdade é o uso de uma estratégia de pivô mais simples.
• A paralelização é feita com pthreads. O simples uso do espaçamento regular para os valores processados ​​por cada encadeamento causou um balanceamento de carga muito ruim, por isso introduzi alguns swizzling.

Eu testei isso no Mac OS, mas usei código semelhante no Ubuntu antes, então espero que isso compile e execute sem problemas:

1. Salve o código em um arquivo com uma .cppextensão, por exemplo optim.cpp.
2. Compile com gcc -Ofast optim.cpp -lpthread -lstdc++.
3. Corra com time ./a.out 14 8. O primeiro argumento é o máximo n. 14 deve terminar em menos de 2 minutos, com certeza, mas seria ótimo se você pudesse tentar 15 também. O segundo argumento é o número de threads. Usar o mesmo valor que o número de núcleos da máquina normalmente é um bom começo, mas tentar algumas variações pode potencialmente melhorar os tempos.

Entre em contato se tiver algum problema ao criar ou executar o código.

#include <stdint.h>
#include <pthread.h>
#include <cstdlib>
#include <iostream>

static int NMax = 14;
static int ThreadCount = 4;

static pthread_mutex_t ThreadMutex;
static pthread_cond_t ThreadCond;
static int BarrierCount = 0;

static float* MaxDetA;
static uint32_t* MaxDescrA;

static inline float absVal(float val)
{
    return val < 0.0f ? -val : val;
}

static uint32_t reverse(int n, uint32_t descr)
{
    uint32_t descrRev = 0;
    for (int iBit = 0; iBit < 2 * n - 1; ++iBit)
    {
        descrRev <<= 1;
        descrRev |= descr & 1;
        descr >>= 1;
    }

    return descrRev;
}

static void buildMat(int n, float mat[], uint32_t descr)
{
    int iDiag;
    for (iDiag = 1 - n; iDiag < 0; ++iDiag)
    {
        float val = static_cast<float>(descr & 1);
        descr >>= 1;
        for (int iRow = 0; iRow < n + iDiag; ++iRow)
        {
            mat[iRow * (n + 1) - iDiag] = val;
        }
    }

    for ( ; iDiag < n; ++iDiag)
    {
        float val = static_cast<float>(descr & 1);
        descr >>= 1;
        for (int iCol = 0; iCol < n - iDiag; ++iCol)
        {
            mat[iCol * (n + 1) + iDiag * n] = val;
        }
    }
}

static float determinant(int n, float mat[])
{
    float det = 1.0f;
    for (int k = 0; k < n - 1; ++k)
    {
        float maxVal = 0.0f;
        int pk = 0;
        for (int i = k; i < n; ++i)
        {
            float q = absVal(mat[i * n + k]);
            if (q > maxVal)
            {
                maxVal = q;
                pk = i;
            }
        }

        if (pk != k)
        {
            det = -det;
            for (int j = 0; j < n; ++j)
            {
                float t = mat[k * n + j];
                mat[k * n + j] = mat[pk * n + j];
                mat[pk * n + j] = t;
            }
        }

        float s = mat[k * n + k];
        det *= s;

        s = 1.0f / s;
        for (int i = k + 1; i < n; ++i)
        {
            mat[i * n + k] *= s;
            for (int j = k + 1; j < n; ++j)
            {
                mat[i * n + j] -= mat[i * n + k] * mat[k * n + j];
            }
        }
    }

    det *= mat[n * n - 1];

    return det;
}

static void threadBarrier()
{
    pthread_mutex_lock(&ThreadMutex);

    ++BarrierCount;
    if (BarrierCount <= ThreadCount)
    {
        pthread_cond_wait(&ThreadCond, &ThreadMutex);
    }
    else
    {
        pthread_cond_broadcast(&ThreadCond);
        BarrierCount = 0;
    }

    pthread_mutex_unlock(&ThreadMutex);
}

static void* threadFunc(void* pData)
{
    int* pThreadIdx = static_cast<int*>(pData);
    int threadIdx = *pThreadIdx;

    float* mat = new float[NMax * NMax];

    for (int n = 1; n <= NMax; ++n)
    {
        uint32_t descrRange(1u << (2 * n - 1));
        float maxDet = 0.0f;
        uint32_t maxDescr = 0;

        uint32_t descrInc = threadIdx;
        for (uint32_t descrBase = 0;
             descrBase + descrInc < descrRange;
             descrBase += ThreadCount)
        {
            uint32_t descr = descrBase + descrInc;
            descrInc = (descrInc + 1) % ThreadCount;

            if (reverse(n, descr) > descr)
            {
                continue;
            }

            buildMat(n, mat, descr);
            float det = determinant(n, mat);
            if (det > maxDet)
            {
                maxDet = det;
                maxDescr = descr;
            }
        }

        MaxDetA[threadIdx] = maxDet;
        MaxDescrA[threadIdx] = maxDescr;

        threadBarrier();
        // Let main thread output results.
        threadBarrier();
    }

    delete[] mat;

    return 0;
}

static void printMat(int n, float mat[])
{
    for (int iRow = 0; iRow < n; ++iRow)
    {
        for (int iCol = 0; iCol < n; ++iCol)
        {
            std::cout << " " << mat[iRow * n + iCol];
        }
        std::cout << std::endl;
    }

    std::cout << std::endl;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    if (argc > 1)
    {
        NMax = atoi(argv[1]);
        if (NMax > 16)
        {
            NMax = 16;
        }
    }

    if (argc > 2)
    {
        ThreadCount = atoi(argv[2]);
    }

    MaxDetA = new float[ThreadCount];
    MaxDescrA = new uint32_t[ThreadCount];

    pthread_mutex_init(&ThreadMutex, 0);
    pthread_cond_init(&ThreadCond, 0);

    int* threadIdxA = new int[ThreadCount];
    pthread_t* threadA = new pthread_t[ThreadCount];

    for (int iThread = 0; iThread < ThreadCount; ++iThread)
    {
        threadIdxA[iThread] = iThread;
        pthread_create(threadA + iThread, 0, threadFunc, threadIdxA + iThread);
    }

    float* mat = new float[NMax * NMax];

    for (int n = 1; n <= NMax; ++n)
    {
        threadBarrier();

        float maxDet = 0.0f;
        uint32_t maxDescr = 0;

        for (int iThread = 0; iThread < ThreadCount; ++iThread)
        {
            if (MaxDetA[iThread] > maxDet)
            {
                maxDet = MaxDetA[iThread];
                maxDescr = MaxDescrA[iThread];
            }
        }

        std::cout << "n = " << n << " det = " << maxDet << std::endl;
        buildMat(n, mat, maxDescr);
        printMat(n, mat);

        threadBarrier();
    }

    delete[] mat;

    delete[] MaxDetA;
    delete[] MaxDescrA;

    delete[] threadIdxA;
    delete[] threadA;

    return 0;
}

J

Atualização: código aprimorado para pesquisar mais da metade dos valores. Agora calcula n=12confortavelmente em 120 segundos (de 217 para 60).

Você precisará da versão mais recente do J instalada.

#!/usr/bin/jconsole

dim =: -:@>:@#
take =: i.@dim
rotstack =: |."0 1~ take
toep =: (dim (|."1 @: {."1) rotstack)"1
det =: -/ . * @: toep
ps =: 3 : ',/(0 1 ,"0 1/ ,.y)'
canonical =: #. >: [: #. |. " 1

lss =: 3 : 0
  shape =. (2^y), y
  shape $ ,>{;/(y,2)$0 1
)

ls =: (canonical@:lss) # lss
ans =: >./ @: det @: ls @: <: @: +:

display =: 3 : 0
echo 'n = ';y;'the answer is';ans y
)
display"0 (1 + i.13)
exit''

Execute isso e mate quando dois minutos terminarem. Meus resultados (MBP 2014 - 16GB de RAM):

┌────┬─┬─────────────┬─┐
│n = │1│the answer is│1│
└────┴─┴─────────────┴─┘
┌────┬─┬─────────────┬─┐
│n = │2│the answer is│1│
└────┴─┴─────────────┴─┘
┌────┬─┬─────────────┬─┐
│n = │3│the answer is│2│
└────┴─┴─────────────┴─┘
┌────┬─┬─────────────┬─┐
│n = │4│the answer is│3│
└────┴─┴─────────────┴─┘
┌────┬─┬─────────────┬─┐
│n = │5│the answer is│5│
└────┴─┴─────────────┴─┘
┌────┬─┬─────────────┬─┐
│n = │6│the answer is│9│
└────┴─┴─────────────┴─┘
┌────┬─┬─────────────┬──┐
│n = │7│the answer is│32│
└────┴─┴─────────────┴──┘
┌────┬─┬─────────────┬──┐
│n = │8│the answer is│56│
└────┴─┴─────────────┴──┘
┌────┬─┬─────────────┬───┐
│n = │9│the answer is│125│
└────┴─┴─────────────┴───┘
┌────┬──┬─────────────┬───┐
│n = │10│the answer is│315│
└────┴──┴─────────────┴───┘
┌────┬──┬─────────────┬────┐
│n = │11│the answer is│1458│
└────┴──┴─────────────┴────┘
┌────┬──┬─────────────┬────┐
│n = │12│the answer is│2673│
└────┴──┴─────────────┴────┘

Tempo total de execução = 61,83s.

Apenas por diversão

┌────┬──┬─────────────┬────┐
│n = │13│the answer is│8118│
└────┴──┴─────────────┴────┘

Isso levou aproximadamente 210 segundos por conta própria.

Python 2

Esta é uma solução muito simples e provavelmente não vencerá o concurso. Mas ei, isso funciona!

Vou dar uma rápida visão geral do que exatamente está acontecendo.

1. Eu primeiro giro todas as linhas iniciais possíveis para n. Por exemplo, quando n=2, isso gerará um comprimento de matriz 2 ^{n + 1} , em que cada linha terá o comprimento 2n-1. Ele ficaria assim: [[0,0,0],[0,0,1],[0,1,0],[0,1,1],[1,0,0],[1,0,1],[1,1,0],[1,1,1]].
2. Em seguida, para cada uma dessas possíveis linhas iniciais, eu giro o ntempo e corto os primeiros nitens para gerar a matriz apropriada e uso scipypara calcular o determinante, mantendo o controle do valor máximo. No final, simplesmente imprimo o máximo, incremento nde 1 e continuo até 10 minutos.

Para executar isso, você precisará do scipy instalado.

Editar 1: Alterou como as linhas iniciais foram criadas usando itertools.product, graças ao Sp3000!

Edição 2: Armazenamento removido de possíveis linhas iniciais para uma melhoria mínima na velocidade.

Editar 3: mudou para scipyter mais controle sobre como detfuncionou.

from scipy import linalg
from collections import deque
from time import time
from itertools import product

c=1
t=time()
while 1:
    m=0
    for d in product(range(2),repeat=2*c-1):
        a=deque(d)
        l=[d[0:c]]
        for x in xrange(c-1):
            a.rotate(1)
            l+=[list(a)[0:c]]
        m=max(m,linalg.det(l,overwrite_a=True,check_finite=False))
    print m,'in',time()-t,'s'
    c+=1

Aqui estão alguns exemplos de saída na minha máquina doméstica (i7-4510U, 8 GB de RAM):

1.0 in 0.0460000038147 s
1.0 in 0.0520000457764 s
2.0 in 0.0579998493195 s
3.0 in 0.0659999847412 s
5.0 in 0.0829999446869 s
9.0 in 0.134999990463 s
32.0 in 0.362999916077 s
56.0 in 1.28399991989 s
125.0 in 5.34999990463 s
315.0 in 27.6089999676 s
1458.0 in 117.513000011 s

C ++

Bruteforce com o uso do OpenMP para paralelização e otimização simples para evitar a avaliação de determinantes para matrizes transpostas.

$ lscpu
...
Model name:            Intel(R) Core(TM) i5-2410M CPU @ 2.30GHz
...
$ g++ -O2 toepl.cpp -fopenmp
$ timeout 2m ./a.out 
1 1
2 1
3 2
4 3
5 5
6 9
7 32
8 56
9 125
10 315
11 1458
12 2673
13 8118
14 22386

#include <cmath>

#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

void updateReverses(vector < int > & reverses) {
  int reversesCnt = reverses.size();
  for(int i = 0; i < reversesCnt; ++i){
    reverses[i] <<= 1;
    reverses.push_back(reverses[i] | 1);
  }
}

const double eps = 1e-9;

double determinant(vector < vector < double > > & matrix) {
  int n = matrix.size();
  double det = 1;
  if(n == 1) return matrix[0][0];
  for(int i = 0; i < n; ++i){
    int p = i;
    for(int j = i + 1; j < n; ++j)
      if(fabs(matrix[j][i]) > fabs(matrix[p][i]))
        p = j;
    if(fabs(matrix[p][i]) < eps)
      return 0;
    matrix[i].swap(matrix[p]);
    if(i != p) det *= -1;
    det *= matrix[i][i];
    matrix[i][i] = 1. / matrix[i][i];
    for(int j = i + 1; j < n; ++j)
      matrix[i][j] *= matrix[i][i];
    for(int j = i + 1; j < n; ++j){
      if(fabs(matrix[j][i]) < eps) continue;
      for(int k = i + 1; k < n; ++k)
        matrix[j][k] -= matrix[i][k] * matrix[j][i];
    }
  }
  return det;
}

int main() {
  vector < int > reverses(1, 0);
  reverses.reserve(1 << 30);
  updateReverses(reverses);
  for(int n = 1;; ++n){
    double res = 0;
    int topMask = 1 << (2 * n - 1);
    vector < vector < double > > matrix(n, vector < double > (n));
#pragma omp parallel for reduction(max:res) firstprivate(matrix) schedule(dynamic,1<<10)
    for(int mask = 0; mask < topMask; ++mask){
      if(mask < reverses[mask]) continue;
      for(int i = 0; i < n; ++i)
        for(int j = 0; j < n; ++j)
          matrix[i][j] = (mask >> (i - j + n - 1)) & 1;
      res = max(res, determinant(matrix));
    }
    cout << n << ' ' << res << endl;
    updateReverses(reverses);
    updateReverses(reverses);
  }
}

C

Ajuntar com:

$ clang -Ofast 52851.c -o 52851

Correr com:

$ ./52851

Pode emitir o determinante máximo por n = 1..10~ 115 segundos no meu computador.

O programa está apenas obtendo o determinante de todas as matrizes binárias possíveis de tamanho de Toeplitz n, porém todos os determinantes de matrizes de tamanho 5x5ou menores serão armazenados em cache usando a memorização.

No começo, assumi erroneamente que todas as submatrizes de uma matriz de Toeplitz também serão uma matriz de Toeplitz; portanto, eu só precisava memorizar 2^(2n-1)valores em vez de 2^(n^2)para cada uma n. Eu criei o programa antes de perceber meu erro, então esse envio é apenas uma correção desse programa.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <limits.h>
#include <string.h>

#define ELEMENTS(x) (sizeof(x) / sizeof(*x))

int *dets[6];

void print_matrix(int n, int c) {
    for(int row = 0; row < n; row++) {
        for(int col = 0; col < n; col++) {
            int j = n - 1 - row + col;
            int val = !!(c & (1 << j));
            printf("%d ", val);
        }
        puts("");
    }
}

int det(int n, uint8_t *m) {
    if(n == 1) {
        return m[0];
    }

    int i = 0;

    if(n < ELEMENTS(dets)) {
        for(int j = 0; j < n * n; j++) {
            i *= 2;
            i += m[j];
        }

        int v = dets[n][i];
        if(v != INT_MIN) {
            return v;
        }
    }

    int v = 0;

    uint8_t *sub = malloc((n - 1) * (n - 1));

    for(int removed = 0; removed < n; removed++) {
        if(m[removed]) {
            uint8_t *p = sub;
            for(int row = 1; row < n; row++) {
                for(int col = 0; col < n; col++) {
                    if(col == removed) {
                        continue;
                    }

                    *p = m[col + row * n];

                    p++;
                }
            }

            v += (removed % 2 == 0? 1: -1) * det(n - 1, sub);
        }
    }

    free(sub);

    if(n < ELEMENTS(dets)) {
        dets[n][i] = v;
    }
    return v;
}

int main(void) {
    for(int i = 2; i < ELEMENTS(dets); i++) {
        int combinations = 1 << (i * i);
        dets[i] = malloc(combinations * sizeof(**dets));
        for(int j = 0; j < combinations; j++) {
            dets[i][j] = INT_MIN;
        }
    }

    puts("1: 1");

    for(int n = 2; n < 65; n++) {
        int vars = 2 * n - 1;
        size_t combinations = 1 << vars;

        int best = -1;
        int max = -1;

        uint8_t *sub = malloc((n - 1) * (n - 1));

        for(int c = 0; c < combinations; c++) {
            int d = 0;
            for(int i = 0; i < n; i++) {
                if(c & (1 << (n - 1 + i))) {
                    uint8_t *p = sub;
                    for(int row = 1; row < n; row++) {
                        for(int col = 0; col < n; col++) {
                            if(col == i) {
                                continue;
                            }

                            int j = n - 1 - row + col;
                            *p = !!(c & (1 << j));

                            p++;
                        }
                    }
                    d += (i % 2 == 0? 1: -1) * det(n - 1, sub);
                }
            }

            if(d > max) {
                max = d;
                best = c;
            }
        }

        free(sub);

        printf("%d: %d\n", n, max);
        //print_matrix(n, best);
    }

    return 0;
}

R

Você precisará instalar o R ​​e os pacotes listados em install.packages("package_name")

Não recebi menos de 2 minutos na minha máquina com esta versão (tenho que tentar com uma modificação paralela)

library(pracma)
library(stringr)
library(R.utils)
library(microbenchmark)

f <- function(n) {
  #If n is 1, return 1 to avoid code complexity on this special case
  if(n==1) { return(1) }
  # Generate matrices and get their determinants
  dets <- sapply(strsplit(intToBin( 0:(2^n - 1)), ""), function(x) {
              sapply( strsplit( intToBin( 0:(2^(n-1) - 1) ), ""), 
                    function(y) { 
                      det(Toeplitz(x,c(x[1],y))) 
                    })

              })
  #Get the maximum determinant and return it
  res <- max(abs(dets))
  return(res)
}

Chamada e saída:

> sapply(1:10,f)
 [1]   1   1   2   3   5   9  32  56 125 315

Referência na minha máquina:

> microbenchmark(sapply(1:10,f),times=1L)
Unit: seconds
            expr      min       lq     mean   median       uq      max neval
 sapply(1:10, f) 66.35315 66.35315 66.35315 66.35315 66.35315 66.35315     1

Para obter informações, para um intervalo de 1:11, são necessários 285 segundos.

PARI / GP, n = 11

Isso é força bruta, mas aproveitando det(A^T) = det(A). Só estou postando para demonstrar como é fácil pular transposições. O bit mais baixo b1contém a célula superior esquerda e os outros bits mantêm o restante da linha superior. b2mantém o restante da coluna esquerda. Nós simplesmente aplicamos b2 <= (b1>>1).

{ for(n=1,11,
    res=0;
    for(b1=0,2^n-1,
      for(b2=0,b1>>1,
        res=max(res,matdet(matrix(n,n,i,j,bittest(if(i>j,b2>>(i-j-1),b1>>(j-i)),0))));
      )
    );
    print(n" "res);
  )
}

Com relação à computação dos determinantes de Toeplitz no O(n^2)tempo: Na minha pesquisa limitada, continuei exigindo que todos os principais menores principais não fossem zero para que os algoritmos funcionassem, o que é um grande obstáculo para essa tarefa. Sinta-se livre para me dar sugestões, se você souber mais sobre isso do que eu.