O desafio é escrever o código mais rápido possível para calcular a permanente de uma matriz .

A permanente de uma matriz- nby = ( ) é definida comonAai,j

Aqui S_nrepresenta o conjunto de todas as permutações de[1, n] .

Como um exemplo (do wiki):

Nesta questão, as matrizes são todas quadradas e terão apenas os valores -1e 1nelas.

Exemplos

Entrada:

[[ 1 -1 -1  1]
 [-1 -1 -1  1]
 [-1  1 -1  1]
 [ 1 -1 -1  1]]

Permanente:

-4

Entrada:

[[-1 -1 -1 -1]
 [-1  1 -1 -1]
 [ 1 -1 -1 -1]
 [ 1 -1  1 -1]]

Permanente:

0

Entrada:

[[ 1 -1  1 -1 -1 -1 -1 -1]
 [-1 -1  1  1 -1  1  1 -1]
 [ 1 -1 -1 -1 -1  1  1  1]
 [-1 -1 -1  1 -1  1  1  1]
 [ 1 -1 -1  1  1  1  1 -1]
 [-1  1 -1  1 -1  1  1 -1]
 [ 1 -1  1 -1  1 -1  1 -1]
 [-1 -1  1 -1  1  1  1  1]]

Permanente:

192

Entrada:

[[1, -1, 1, -1, -1, 1, 1, 1, -1, -1, -1, -1, 1, 1, 1, 1, -1, 1, 1, -1],
 [1, -1, 1, 1, 1, 1, 1, -1, 1, -1, -1, 1, 1, 1, -1, -1, 1, 1, 1, -1],
 [-1, -1, 1, 1, 1, -1, -1, -1, -1, 1, -1, 1, 1, 1, -1, -1, -1, 1, -1, -1],
 [-1, -1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, 1, -1],
 [-1, 1, 1, 1, -1, 1, 1, 1, -1, -1, -1, 1, -1, 1, -1, 1, 1, 1, 1, 1],
 [1, -1, 1, 1, -1, -1, 1, -1, 1, 1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, -1, -1],
 [1, -1, -1, 1, -1, -1, -1, 1, -1, 1, 1, 1, 1, -1, -1, -1, 1, 1, 1, -1],
 [1, -1, -1, 1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, 1, -1, 1, -1, 1, 1, 1, -1, 1, 1],
 [1, -1, -1, -1, -1, -1, 1, 1, 1, -1, -1, -1, -1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, -1],
 [-1, -1, 1, -1, 1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, -1, 1, 1],
 [-1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, 1, -1, -1, -1, -1, 1, 1, 1, 1, -1, -1, -1, -1],
 [1, 1, -1, -1, -1, 1, 1, -1, -1, 1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
 [-1, 1, 1, -1, -1, -1, -1, -1, 1, 1, 1, 1, -1, -1, -1, -1, -1, 1, -1, 1],
 [1, 1, -1, -1, -1, 1, -1, 1, -1, -1, -1, -1, 1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, 1],
 [1, 1, 1, 1, 1, -1, -1, -1, 1, 1, 1, -1, 1, -1, 1, 1, 1, -1, 1, 1],
 [1, -1, -1, 1, -1, -1, -1, -1, 1, -1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, -1, -1, -1, -1],
 [-1, 1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, -1, 1, 1, 1, -1, -1, 1, 1, -1, -1, 1, 1],
 [1, 1, -1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, 1],
 [1, 1, 1, -1, -1, -1, 1, -1, -1, 1, 1, -1, -1, -1, 1, -1, -1, -1, -1, 1],
 [-1, 1, 1, 1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, -1]]

Permanente:

1021509632

A tarefa

Você deve escrever um código que, dado nporn matriz, gera a permanente.

Como precisarei testar seu código, seria útil se você desse uma maneira simples de fornecer uma matriz como entrada para o seu código, por exemplo, lendo a partir do padrão em.

Esteja avisado de que a permanente pode ser grande (a matriz todos os 1s é o caso extremo).

Pontuações e laços

Testarei seu código em matrizes + -1 aleatórias de tamanho crescente e pararei na primeira vez em que o código demorar mais de 1 minuto no meu computador. As matrizes de pontuação serão consistentes para todos os envios, a fim de garantir justiça.

Se duas pessoas obtiverem a mesma pontuação, o vencedor será o mais rápido para esse valor de n. Se estes estiverem a 1 segundo um do outro, será o primeiro publicado.

Línguas e bibliotecas

Você pode usar qualquer idioma e bibliotecas disponíveis que desejar, mas nenhuma função pré-existente para calcular a permanente. Onde for possível, seria bom poder executar seu código; portanto, inclua uma explicação completa de como executar / compilar seu código no Linux, se possível.

Implementações de referência

Já existe uma pergunta de codegolf com muitos códigos em diferentes idiomas para calcular a permanente para matrizes pequenas. O Mathematica e o Maple também possuem implementações permanentes, se você puder acessá-las.

Minha máquina Os tempos serão executados na minha máquina de 64 bits. Esta é uma instalação padrão do ubuntu com 8GB de RAM, processador de oito núcleos AMD FX-8350 e Radeon HD 4250. Isso também significa que eu preciso executar seu código.

Informações de baixo nível sobre minha máquina

cat /proc/cpuinfo/|grep flags dá

flags: fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca pat pse36 clflush mmx fxsr sse sse2 ht syscall nx mmxext fxsr_opt pdpe1gb rdtscp lm constant_tsc rep_md pfmd f16c lahf_lm cmp_legacy svm extapic cr8_legacy abm sse4a desalinhamento 3dnowprefetch osvw ibs xop skinit wdt lwp fma4 tce nodeid_msr tbm topoext perfctr_core perfctr_nb cpb hw_pstate vmmc

Farei uma pergunta multilíngue de acompanhamento intimamente relacionada que não sofre com o grande problema de Int, para que os amantes de Scala , Nim , Julia , Rust , Bash também possam mostrar seus idiomas.

Entre os melhores

• n = 33 (45 segundos. 64 segundos para n = 34). Ton Hospel em C ++ com g ++ 5.4.0.
• n = 32 (32 segundos). Dennis em C com o gcc 5.4.0 usando as bandeiras do gcc de Ton Hospel.
• n = 31 (54 segundos). Peneiradores cristãos em Haskell
• n = 31 (60 segundos). primo em rpython
• n = 30 (26 segundos). ezrast em Rust
• n = 28 (49 segundos). xnor com Python + pypy 5.4.1
• n = 22 (25 segundos). Shebang com Python + pypy 5.4.1

Nota . Na prática, os horários de Dennis e Ton Hospel variam muito por razões misteriosas. Por exemplo, eles parecem ser mais rápidos depois que eu carrego um navegador da web! Os tempos citados são os mais rápidos em todos os testes que fiz.

gcc C ++ n ≈ 36 (57 segundos no meu sistema)

Usa a fórmula Glynn com um código Gray para atualizações, se todas as somas da coluna forem pares, caso contrário, usa o método de Ryser. Rosqueado e vetorizado. Otimizado para AVX, não espere muito em processadores mais antigos. Não se preocupe com n>=35uma matriz com apenas +1, mesmo se o seu sistema for rápido o suficiente, pois o acumulador de 128 bits assinado irá estourar. Para matrizes aleatórias, você provavelmente não atingirá o estouro. Para n>=37os multiplicadores internos, começará a transbordar para uma 1/-1matriz all . Portanto, use este programa apenas para n<=36.

Basta fornecer os elementos da matriz em STDIN separados por qualquer tipo de espaço em branco

permanent
1 2
3 4
^D

permanent.cpp:

/*
  Compile using something like:
    g++ -Wall -O3 -march=native -fstrict-aliasing -std=c++11 -pthread -s permanent.cpp -o permanent
*/

#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <cstdlib>
#include <cstdint>
#include <climits>
#include <array>
#include <vector>
#include <thread>
#include <future>
#include <ctgmath>
#include <immintrin.h>

using namespace std;

bool const DEBUG = false;
int const CACHE = 64;

using Index  = int_fast32_t;
Index glynn;
// Number of elements in our vectors
Index const POW   = 3;
Index const ELEMS = 1 << POW;
// Over how many floats we distribute each row
Index const WIDTH = 9;
// Number of bits in the fraction part of a floating point number
int const FLOAT_MANTISSA = 23;
// Type to use for the first add/multiply phase
using Sum  = float;
using SumN = __restrict__ Sum __attribute__((vector_size(ELEMS*sizeof(Sum))));
// Type to convert to between the first and second phase
using ProdN = __restrict__ int32_t __attribute__((vector_size(ELEMS*sizeof(int32_t))));
// Type to use for the third and last multiply phase.
// Also used for the final accumulator
using Value = __int128;
using UValue = unsigned __int128;

// Wrap Value so C++ doesn't really see it and we can put it in vectors etc.
// Needed since C++ doesn't fully support __int128
struct Number {
    Number& operator+=(Number const& right) {
        value += right.value;
        return *this;
    }
    // Output the value
    void print(ostream& os, bool dbl = false) const;
    friend ostream& operator<<(ostream& os, Number const& number) {
        number.print(os);
        return os;
    }

    Value value;
};

using ms = chrono::milliseconds;

auto nr_threads = thread::hardware_concurrency();
vector<Sum> input;

// Allocate cache aligned datastructures
template<typename T>
T* alloc(size_t n) {
    T* mem = static_cast<T*>(aligned_alloc(CACHE, sizeof(T) * n));
    if (mem == nullptr) throw(bad_alloc());
    return mem;
}

// Work assigned to thread k of nr_threads threads
Number permanent_part(Index n, Index k, SumN** more) {
    uint64_t loops = (UINT64_C(1) << n) / nr_threads;
    if (glynn) loops /= 2;
    Index l = loops < ELEMS ? loops : ELEMS;
    loops /= l;
    auto from = loops * k;
    auto to   = loops * (k+1);

    if (DEBUG) cout << "From=" << from << "\n";
    uint64_t old_gray = from ^ from/2;
    uint64_t bit = 1;
    bool bits = (to-from) & 1;

    Index nn = (n+WIDTH-1)/WIDTH;
    Index ww = nn * WIDTH;
    auto column = alloc<SumN>(ww);
    for (Index i=0; i<n; ++i)
        for (Index j=0; j<ELEMS; ++j) column[i][j] = 0;
    for (Index i=n; i<ww; ++i)
        for (Index j=0; j<ELEMS; ++j) column[i][j] = 1;
    Index b;
    if (glynn) {
        b = n > POW+1 ? n - POW - 1: 0;
        auto c = n-1-b;
        for (Index k=0; k<l; k++) {
            Index gray = k ^ k/2;
            for (Index j=0; j< c; ++j)
                if (gray & 1 << j)
                    for (Index i=0; i<n; ++i)
                        column[i][k] -= input[(b+j)*n+i];
                else
                    for (Index i=0; i<n; ++i)
                        column[i][k] += input[(b+j)*n+i];
        }
        for (Index i=0; i<n; ++i)
            for (Index k=0; k<l; k++)
                column[i][k] += input[n*(n-1)+i];

        for (Index k=1; k<l; k+=2)
            column[0][k] = -column[0][k];

        for (Index i=0; i<b; ++i, bit <<= 1) {
            if (old_gray & bit) {
                bits = bits ^ 1;
                for (Index j=0; j<ww; ++j)
                    column[j] -= more[i][j];
            } else {
                for (Index j=0; j<ww; ++j)
                    column[j] += more[i][j];
            }
        }

        for (Index i=0; i<n; ++i)
            for (Index k=0; k<l; k++)
                column[i][k] /= 2;
    } else {
        b = n > POW ? n - POW : 0;
        auto c = n-b;
        for (Index k=0; k<l; k++) {
            Index gray = k ^ k/2;
            for (Index j=0; j<c; ++j)
                if (gray & 1 << j)
                    for (Index i=0; i<n; ++i)
                        column[i][k] -= input[(b+j)*n+i];
        }

        for (Index k=1; k<l; k+=2)
            column[0][k] = -column[0][k];

        for (Index i=0; i<b; ++i, bit <<= 1) {
            if (old_gray & bit) {
                bits = bits ^ 1;
                for (Index j=0; j<ww; ++j)
                    column[j] -= more[i][j];
            }
        }
    }

    if (DEBUG) {
        for (Index i=0; i<ww; ++i) {
            cout << "Column[" << i << "]=";
            for (Index j=0; j<ELEMS; ++j) cout << " " << column[i][j];
            cout << "\n";
        }
    }

    --more;
    old_gray = (from ^ from/2) | UINT64_C(1) << b;
    Value total = 0;
    SumN accu[WIDTH];
    for (auto p=from; p<to; ++p) {
        uint64_t new_gray = p ^ p/2;
        uint64_t bit = old_gray ^ new_gray;
        Index i = __builtin_ffsl(bit);
        auto diff = more[i];
        auto c = column;
        if (new_gray > old_gray) {
            // Phase 1 add/multiply.
            // Uses floats until just before loss of precision
            for (Index i=0; i<WIDTH; ++i) accu[i] = *c++ -= *diff++;

            for (Index j=1; j < nn; ++j)
                for (Index i=0; i<WIDTH; ++i) accu[i] *= *c++ -= *diff++;
        } else {
            // Phase 1 add/multiply.
            // Uses floats until just before loss of precision
            for (Index i=0; i<WIDTH; ++i) accu[i] = *c++ += *diff++;

            for (Index j=1; j < nn; ++j)
                for (Index i=0; i<WIDTH; ++i) accu[i] *= *c++ += *diff++;
        }

        if (DEBUG) {
            cout << "p=" << p << "\n";
            for (Index i=0; i<ww; ++i) {
                cout << "Column[" << i << "]=";
                for (Index j=0; j<ELEMS; ++j) cout << " " << column[i][j];
                cout << "\n";
            }
        }

        // Convert floats to int32_t
        ProdN prod32[WIDTH] __attribute__((aligned (32)));
        for (Index i=0; i<WIDTH; ++i)
            // Unfortunately gcc doesn't recognize the static_cast<int32_t>
            // as a vector pattern, so force it with an intrinsic
#ifdef __AVX__
            //prod32[i] = static_cast<ProdN>(accu[i]);
            reinterpret_cast<__m256i&>(prod32[i]) = _mm256_cvttps_epi32(accu[i]);
#else   // __AVX__
            for (Index j=0; j<ELEMS; ++j)
                prod32[i][j] = static_cast<int32_t>(accu[i][j]);
#endif  // __AVX__

        // Phase 2 multiply. Uses int64_t until just before overflow
        int64_t prod64[3][ELEMS];
        for (Index i=0; i<3; ++i) {
            for (Index j=0; j<ELEMS; ++j)
                prod64[i][j] = static_cast<int64_t>(prod32[i][j]) * prod32[i+3][j] * prod32[i+6][j];
        }
        // Phase 3 multiply. Collect into __int128. For large matrices this will
        // actually overflow but that's ok as long as all 128 low bits are
        // correct. Terms will cancel and the final sum can fit into 128 bits
        // (This will start to fail at n=35 for the all 1 matrix)
        // Strictly speaking this needs the -fwrapv gcc option
        for (Index j=0; j<ELEMS; ++j) {
            auto value = static_cast<Value>(prod64[0][j]) * prod64[1][j] * prod64[2][j];
            if (DEBUG) cout << "value[" << j << "]=" << static_cast<double>(value) << "\n";
            total += value;
        }
        total = -total;

        old_gray = new_gray;
    }

    return bits ? Number{-total} : Number{total};
}

// Prepare datastructures, Assign work to threads
Number permanent(Index n) {
    Index nn = (n+WIDTH-1)/WIDTH;
    Index ww = nn*WIDTH;

    Index rows  = n > (POW+glynn) ? n-POW-glynn : 0;
    auto data = alloc<SumN>(ww*(rows+1));
    auto pointers = alloc<SumN *>(rows+1);
    auto more = &pointers[0];
    for (Index i=0; i<rows; ++i)
        more[i] = &data[ww*i];
    more[rows] = &data[ww*rows];
    for (Index j=0; j<ww; ++j)
        for (Index i=0; i<ELEMS; ++i)
            more[rows][j][i] = 0;

    Index loops = n >= POW+glynn ? ELEMS : 1 << (n-glynn);
    auto a = &input[0];
    for (Index r=0; r<rows; ++r) {
        for (Index j=0; j<n; ++j) {
            for (Index i=0; i<loops; ++i)
                more[r][j][i] = j == 0 && i %2 ? -*a : *a;
            for (Index i=loops; i<ELEMS; ++i)
                more[r][j][i] = 0;
            ++a;
        }
        for (Index j=n; j<ww; ++j)
            for (Index i=0; i<ELEMS; ++i)
                more[r][j][i] = 0;
    }

    if (DEBUG)
        for (Index r=0; r<=rows; ++r)
            for (Index j=0; j<ww; ++j) {
                cout << "more[" << r << "][" << j << "]=";
                for (Index i=0; i<ELEMS; ++i)
                    cout << " " << more[r][j][i];
                cout << "\n";
            }

    // Send work to threads...
    vector<future<Number>> results;
    for (auto i=1U; i < nr_threads; ++i)
        results.emplace_back(async(DEBUG ? launch::deferred: launch::async, permanent_part, n, i, more));
    // And collect results
    auto r = permanent_part(n, 0, more);
    for (auto& result: results)
        r += result.get();

    free(data);
    free(pointers);

    // For glynn we should double the result, but we will only do this during
    // the final print. This allows n=34 for an all 1 matrix to work
    // if (glynn) r *= 2;
    return r;
}

// Print 128 bit number
void Number::print(ostream& os, bool dbl) const {
    const UValue BILLION = 1000000000;

    UValue val;
    if (value < 0) {
        os << "-";
        val = -value;
    } else
        val = value;
    if (dbl) val *= 2;

    uint32_t output[5];
    for (int i=0; i<5; ++i) {
        output[i] = val % BILLION;
        val /= BILLION;
    }
    bool print = false;
    for (int i=4; i>=0; --i) {
        if (print) {
            os << setfill('0') << setw(9) << output[i];
        } else if (output[i] || i == 0) {
            print = true;
            os << output[i];
        }
    }
}

// Read matrix, check for sanity
void my_main() {
    Sum a;
    while (cin >> a)
        input.push_back(a);

    size_t n = sqrt(input.size());
    if (input.size() != n*n)
        throw(logic_error("Read " + to_string(input.size()) +
                          " elements which does not make a square matrix"));

    vector<double> columns_pos(n, 0);
    vector<double> columns_neg(n, 0);
    Sum *p = &input[0];
    for (size_t i=0; i<n; ++i)
        for (size_t j=0; j<n; ++j, ++p) {
            if (*p >= 0) columns_pos[j] += *p;
            else         columns_neg[j] -= *p;
        }
    std::array<double,WIDTH> prod;
    prod.fill(1);

    int32_t odd = 0;
    for (size_t j=0; j<n; ++j) {
        prod[j%WIDTH] *= max(columns_pos[j], columns_neg[j]);
        auto sum = static_cast<int32_t>(columns_pos[j] - columns_neg[j]);
        odd |= sum;
    }
    glynn = (odd & 1) ^ 1;
    for (Index i=0; i<WIDTH; ++i)
        // A float has an implicit 1. in front of the fraction so it can
        // represent 1 bit more than the mantissa size. And 1 << (mantissa+1)
        // itself is in fact representable
        if (prod[i] && log2(prod[i]) > FLOAT_MANTISSA+1)
            throw(range_error("Values in matrix are too large. A subproduct reaches " + to_string(prod[i]) + " which doesn't fit in a float without loss of precision"));

    for (Index i=0; i<3; ++i) {
        auto prod3 = prod[i] * prod[i+3] * prod[i+6];
        if (log2(prod3) >= CHAR_BIT*sizeof(int64_t)-1)
            throw(range_error("Values in matrix are too large. A subproduct reaches " + to_string(prod3) + " which doesn't fit in an int64"));
    }

    nr_threads = pow(2, ceil(log2(static_cast<float>(nr_threads))));
    uint64_t loops = UINT64_C(1) << n;
    if (glynn) loops /= 2;
    if (nr_threads * ELEMS > loops)
        nr_threads = max(loops / ELEMS, UINT64_C(1));
    // if (DEBUG) nr_threads = 1;

    cout << n << " x " << n << " matrix, method " << (glynn ? "Glynn" : "Ryser") << ", " << nr_threads << " threads" << endl;

    // Go for the actual calculation
    auto start = chrono::steady_clock::now();
    auto perm = permanent(n);
    auto end = chrono::steady_clock::now();
    auto elapsed = chrono::duration_cast<ms>(end-start).count();

    cout << "Permanent=";
    perm.print(cout, glynn);
    cout << " (" << elapsed / 1000. << " s)" << endl;
}

// Wrapper to print any exceptions
int main() {
    try {
        my_main();
    } catch(exception& e) {
        cerr << "Error: " << e.what() << endl;
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

C99, ≈ 33 (35 segundos)

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>

#define CHUNK_SIZE 12
#define NUM_THREADS 8

#define popcnt __builtin_popcountll
#define BILLION (1000 * 1000 * 1000)
#define UPDATE_ROW_PPROD() \
    update_row_pprod(row_pprod, row, rows, row_sums, mask, mask_popcnt)

typedef __int128 int128_t;

static inline int64_t update_row_pprod
(
    int64_t* row_pprod, int64_t row, int64_t* rows,
    int64_t* row_sums, int64_t mask, int64_t mask_popcnt
)
{
    int64_t temp = 2 * popcnt(rows[row] & mask) - mask_popcnt;

    row_pprod[0] *= temp;
    temp -= 1;
    row_pprod[1] *= temp;
    temp -= row_sums[row];
    row_pprod[2] *= temp;
    temp += 1;
    row_pprod[3] *= temp;

    return row + 1;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    int64_t size = argc - 1, rows[argc - 1];
    int64_t row_sums[argc - 1];
    int128_t permanent = 0, sign = size & 1 ? -1 : 1;

    if (argc == 2)
    {
        printf("%d\n", argv[1][0] == '-' ? -1 : 1);
        return 0;
    }

    for (int64_t row = 0; row < size; row++)
    {
        char positive = argv[row + 1][0] == '+' ? '-' : '+';

        sign *= ',' - positive;
        rows[row] = row_sums[row] = 0;

        for (char* p = &argv[row + 1][1]; *p; p++)
        {
            rows[row] <<= 1;
            rows[row] |= *p == positive;
            row_sums[row] += *p == positive;
        }

        row_sums[row] = 2 * row_sums[row] - size;
    }

    #pragma omp parallel for reduction(+:permanent) num_threads(NUM_THREADS)
    for (int64_t mask = 1; mask < 1LL << (size - 1); mask += 2)
    {
        int64_t mask_popcnt = popcnt(mask);
        int64_t row = 0;
        int128_t row_prod = 1 - 2 * (mask_popcnt & 1);
        int128_t row_prod_high = -row_prod;
        int128_t row_prod_inv = row_prod;
        int128_t row_prod_inv_high = -row_prod;

        for (int64_t chunk = 0; chunk < size / CHUNK_SIZE; chunk++)
        {
            int64_t row_pprod[4] = {1, 1, 1, 1};

            for (int64_t i = 0; i < CHUNK_SIZE; i++)
                row = UPDATE_ROW_PPROD();

            row_prod *= row_pprod[0], row_prod_high *= row_pprod[1];
            row_prod_inv *= row_pprod[3], row_prod_inv_high *= row_pprod[2];
        }

        int64_t row_pprod[4] = {1, 1, 1, 1};

        while (row < size)
            row = UPDATE_ROW_PPROD();

        row_prod *= row_pprod[0], row_prod_high *= row_pprod[1];
        row_prod_inv *= row_pprod[3], row_prod_inv_high *= row_pprod[2];
        permanent += row_prod + row_prod_high + row_prod_inv + row_prod_inv_high;
    }

    permanent *= sign;

    if (permanent < 0)
        printf("-"), permanent *= -1;

    int32_t output[5], print = 0;

    output[0] = permanent % BILLION, permanent /= BILLION;
    output[1] = permanent % BILLION, permanent /= BILLION;
    output[2] = permanent % BILLION, permanent /= BILLION;
    output[3] = permanent % BILLION, permanent /= BILLION;
    output[4] = permanent % BILLION;

    if (output[4])
        printf("%u", output[4]), print = 1;
    if (print)
        printf("%09u", output[3]);
    else if (output[3])
        printf("%u", output[3]), print = 1;
    if (print)
        printf("%09u", output[2]);
    else if (output[2])
        printf("%u", output[2]), print = 1;
    if (print)
        printf("%09u", output[1]);
    else if (output[1])
        printf("%u", output[1]), print = 1;
    if (print)
        printf("%09u\n", output[0]);
    else
        printf("%u\n", output[0]);
}

Atualmente, a entrada é um pouco complicada; é tomado com linhas como argumentos de linha de comando, onde cada entrada é representada por seu sinal, ou seja, + indica 1 e - indica -1 .

Execução de teste

$ gcc -Wall -std=c99 -march=native -Ofast -fopenmp -fwrapv -o permanent permanent.c
$ ./permanent +--+ ---+ -+-+ +--+
-4
$ ./permanent ---- -+-- +--- +-+-
0
$ ./permanent +-+----- --++-++- +----+++ ---+-+++ +--++++- -+-+-++- +-+-+-+- --+-++++
192
$ ./permanent +-+--+++----++++-++- +-+++++-+--+++--+++- --+++----+-+++---+-- ---++-++++++------+- -+++-+++---+-+-+++++ +-++--+-++++-++-+--- +--+---+-++++---+++- +--+-++-+++-+-+++-++ +-----+++-----++-++- --+-+-++-+-++++++-++ -------+----++++---- ++---++--+-++-++++++ -++-----++++-----+-+ ++---+-+----+-++-+-+ +++++---+++-+-+++-++ +--+----+--++-+----- -+++-++--+++--++--++ ++--++-++-+++-++-+-+ +++---+--++---+----+ -+++-------++-++-+--
1021509632
$ time ./permanent +++++++++++++++++++++++++++++++{,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,}     # 31
8222838654177922817725562880000000

real    0m8.365s
user    1m6.504s
sys     0m0.000s
$ time ./permanent ++++++++++++++++++++++++++++++++{,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,}   # 32
263130836933693530167218012160000000

real    0m17.013s
user    2m15.226s
sys     0m0.001s
$ time ./permanent +++++++++++++++++++++++++++++++++{,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,} # 33
8683317618811886495518194401280000000

real    0m34.592s
user    4m35.354s
sys     0m0.001s

Python 2, nº 28

from operator import mul

def fast_glynn_perm(M):
    row_comb = [sum(c) for c in zip(*M)]
    n=len(M)

    total = 0
    old_grey = 0 
    sign = +1

    binary_power_dict = {2**i:i for i in range(n)}
    num_loops = 2**(n-1)

    for bin_index in xrange(1, num_loops + 1):  
        total += sign * reduce(mul, row_comb)

        new_grey = bin_index^(bin_index/2)
        grey_diff = old_grey ^ new_grey
        grey_diff_index = binary_power_dict[grey_diff]

        new_vector = M[grey_diff_index]
        direction = 2 * cmp(old_grey,new_grey)      

        for i in range(n):
            row_comb[i] += new_vector[i] * direction

        sign = -sign
        old_grey = new_grey

    return total/num_loops

Usa a fórmula Glynn com um código Gray para atualizações. Executa atén=23 em um minuto na minha máquina. Pode-se certamente fazer melhor implementando isso em uma linguagem mais rápida e com melhores estruturas de dados. Isso não usa que a matriz tenha um valor de ± 1.

Uma implementação da fórmula de Ryser é muito semelhante, somando todos os vetores 0/1 dos coeficientes, em vez de ± 1 vetores. Demora cerca do dobro da fórmula de Glynn porque adiciona todos os 2 ^ n desses vetores, enquanto a metade de Glynn usa a simetria apenas para aqueles que começam com +1.

from operator import mul

def fast_ryser_perm(M):
    n=len(M)
    row_comb = [0] * n

    total = 0
    old_grey = 0 
    sign = +1

    binary_power_dict = {2**i:i for i in range(n)}
    num_loops = 2**n

    for bin_index in range(1, num_loops) + [0]: 
        total += sign * reduce(mul, row_comb)

        new_grey = bin_index^(bin_index/2)
        grey_diff = old_grey ^ new_grey
        grey_diff_index = binary_power_dict[grey_diff]

        new_vector = M[grey_diff_index]
        direction = cmp(old_grey, new_grey)

        for i in range(n):
            row_comb[i] += new_vector[i] * direction

        sign = -sign
        old_grey = new_grey

    return total * (-1)**n

Haskell, n = 31 (54s)

Com muitas contribuições inestimáveis ​​do @Angs: use Vector, use produtos de curto-circuito, veja o número n.

import Control.Parallel.Strategies
import qualified Data.Vector.Unboxed as V
import Data.Int

type Row = V.Vector Int8

x :: Row -> [Row] -> Integer -> Int -> Integer
x p (v:vs) m c = let c' = c - 1
                     r = if c>0 then parTuple2 rseq rseq else r0
                     (a,b) = ( x p                  vs m    c' ,
                               x (V.zipWith(-) p v) vs (-m) c' )
                             `using` r
                 in a+b
x p _      m _ = prod m p

prod :: Integer -> Row -> Integer
prod m p = if 0 `V.elem` p then 0 
                           else V.foldl' (\a b->a*fromIntegral b) m p

p, pt :: [Row] -> Integer
p (v:vs) = x (foldl (V.zipWith (+)) v vs) (map (V.map (2*)) vs) 1 11
           `div` 2^(length vs)
p [] = 1 -- handle 0x0 matrices too  :-)

pt (v:vs) | even (length vs) = p ((V.map (2*) v) : vs ) `div` 2
pt mat                       = p mat

main = getContents >>= print . pt . map V.fromList . read

Minhas primeiras tentativas de paralelismo em Haskell. Você pode ver várias etapas de otimização no histórico de revisões. Surpreendentemente, foram principalmente mudanças muito pequenas. O código é baseado na fórmula na seção "Fórmula de Balasubramanian-Bax / Franklin-Glynn" no artigo da Wikipedia sobre computação permanente .

pcalcula o permanente. É chamado viapt qual transforma a matriz de uma maneira que é sempre válida, mas especialmente útil para as matrizes que chegamos aqui.

Compile com ghc -O2 -threaded -fllvm -feager-blackholing -o <name> <name>.hs. Para executar com a paralelização, dar-lhe tempo de execução parâmetros como este: ./<name> +RTS -N. A entrada é do stdin com listas aninhadas separadas por vírgula entre colchetes, como [[1,2],[3,4]]no exemplo anterior (novas linhas são permitidas em todos os lugares).

Ferrugem + extprim

Essa implementação simples do código Ryser com Gray leva cerca de 65 a 90 segundos para executar n = 31 no meu laptop. Imagino que sua máquina chegue lá bem abaixo dos 60 anos. Estou usando o extprim 1.1.1 para i128.

Eu nunca usei Rust e não tenho ideia do que estou fazendo. Nenhuma opção do compilador além do que quer que seja cargo build --release. Comentários / sugestões / otimizações são apreciados.

A invocação é idêntica ao programa de Dennis.

use std::env;
use std::thread;
use std::sync::Arc;
use std::sync::mpsc;

extern crate extprim;
use extprim::i128::i128;

static THREADS : i64 = 8; // keep this a power of 2.

fn main() {
  // Read command line args for the matrix, specified like
  // "++- --- -+-" for [[1, 1, -1], [-1, -1, -1], [-1, 1, -1]].
  let mut args = env::args();
  args.next();

  let mat : Arc<Vec<Vec<i64>>> = Arc::new(args.map( |ss|
    ss.trim().bytes().map( |cc| if cc == b'+' {1} else {-1}).collect()
  ).collect());

  // Figure how many iterations each thread has to do.
  let size = 2i64.pow(mat.len() as u32);
  let slice_size = size / THREADS; // Assumes divisibility.

  let mut accumulator : i128;
  if slice_size >= 4 { // permanent() requires 4 divides slice_size
    let (tx, rx) = mpsc::channel();

    // Launch threads.
    for ii in 0..THREADS {
      let mat = mat.clone();
      let tx = tx.clone();
      thread::spawn(move ||
        tx.send(permanent(&mat, ii * slice_size, (ii+1) * slice_size))
      );
    }

    // Accumulate results.
    accumulator = extprim::i128::ZERO;
    for _ in 0..THREADS {
      accumulator += rx.recv().unwrap();
    }
  }
  else { // Small matrix, don't bother threading.
    accumulator = permanent(&mat, 0, size);
  }
  println!("{}", accumulator);
}

fn permanent(mat: &Vec<Vec<i64>>, start: i64, end: i64) -> i128 {
  let size = mat.len();
  let sentinel = std::i64::MAX / size as i64;

  let mut bits : Vec<bool> = Vec::with_capacity(size);
  let mut sums : Vec<i64> = Vec::with_capacity(size);

  // Initialize gray code bits.
  let gray_number = start ^ (start / 2);

  for row in 0..size {
    bits.push((gray_number >> row) % 2 == 1);
    sums.push(0);
  }

  // Initialize column sums
  for row in 0..size {
    if bits[row] {
      for column in 0..size {
        sums[column] += mat[row][column];
      }
    }
  }

  // Do first two iterations with initial sums
  let mut total = product(&sums, sentinel);
  for column in 0..size {
    sums[column] += mat[0][column];
  }
  bits[0] = true;

  total -= product(&sums, sentinel);

  // Do rest of iterations updating gray code bits incrementally
  let mut gray_bit : usize;
  let mut idx = start + 2;
  while idx < end {
    gray_bit = idx.trailing_zeros() as usize;

    if bits[gray_bit] {
      for column in 0..size {
        sums[column] -= mat[gray_bit][column];
      }
      bits[gray_bit] = false;
    }
    else {
      for column in 0..size {
        sums[column] += mat[gray_bit][column];
      }
      bits[gray_bit] = true;
    }

    total += product(&sums, sentinel);

    if bits[0] {
      for column in 0..size {
        sums[column] -= mat[0][column];
      }
      bits[0] = false;
    }
    else {
      for column in 0..size {
        sums[column] += mat[0][column];
      }
      bits[0] = true;
    }

    total -= product(&sums, sentinel);
    idx += 2;
  }
  return if size % 2 == 0 {total} else {-total};
}

#[inline]
fn product(sums : &Vec<i64>, sentinel : i64) -> i128 {
  let mut ret : Option<i128> = None;
  let mut tally = sums[0];
  for ii in 1..sums.len() {
    if tally.abs() >= sentinel {
      ret = Some(ret.map_or(i128::new(tally), |n| n * i128::new(tally)));
      tally = sums[ii];
    }
    else {
      tally *= sums[ii];
    }
  }
  if ret.is_none() {
    return i128::new(tally);
  }
  return ret.unwrap() * i128::new(tally);
}

Mathematica, nº 20

p[m_] := Last[Fold[Take[ListConvolve[##, {1, -1}, 0], 2^Length[m]]&,
  Table[If[IntegerQ[Log2[k]], m[[j, Log2[k] + 1]], 0], {j, n}, {k, 0, 2^Length[m] - 1}]]]

Usando o Timingcomando, uma matriz 20x20 requer cerca de 48 segundos no meu sistema. Isso não é exatamente tão eficiente quanto o outro, uma vez que se baseia no fato de que a permanente pode ser encontrada como o coeficiente do produto dos polimômios de cada linha da matriz. A multiplicação polinomial eficiente é realizada criando as listas de coeficientes e realizando convolução usando ListConvolve. Isso requer tempo O (2 ⁿ n ² ), pressupondo que a convolução seja realizada usando uma transformação Fast Fourier ou similar, que requer tempo O ( n log n ).

Python 2, n = 22 [Referência]

Esta é a implementação de 'referência' que compartilhei com o Lembik ontem, ela perde n=23por alguns segundos em sua máquina, na minha máquina em cerca de 52 segundos. Para atingir essas velocidades, você precisa executar isso no PyPy.

A primeira função calcula a permanente semelhante à maneira como o determinante pode ser calculado, passando por cada submatriz até que você fique com 2x2 ao qual você pode aplicar a regra básica. É incrivelmente lento .

A segunda função é aquela que implementa a função Ryser (a segunda equação listada na Wikipedia). O conjunto Sé essencialmente o conjunto de potências dos números {1,...,n}(variável s_listno código).

from random import *
from time import time
from itertools import*

def perm(a): # naive method, recurses over submatrices, slow 
    if len(a) == 1:
        return a[0][0]
    elif len(a) == 2:
        return a[0][0]*a[1][1]+a[1][0]*a[0][1]
    else:
        tsum = 0
        for i in xrange(len(a)):
            transposed = [zip(*a)[j] for j in xrange(len(a)) if j != i]
            tsum += a[0][i] * perm(zip(*transposed)[1:])
        return tsum

def perm_ryser(a): # Ryser's formula, using matrix entries
    maxn = len(a)
    n_list = range(1,maxn+1)
    s_list = chain.from_iterable(combinations(n_list,i) for i in range(maxn+1))
    total = 0
    for st in s_list:
        stotal = (-1)**len(st)
        for i in xrange(maxn):
            stotal *= sum(a[i][j-1] for j in st)
        total += stotal
    return total*((-1)**maxn)


def genmatrix(d):
    mat = []
    for x in xrange(d):
        row = []
        for y in xrange(d):
            row.append([-1,1][randrange(0,2)])
        mat.append(row)
    return mat

def main():
    for i in xrange(1,24):
        k = genmatrix(i)
        print 'Matrix: (%dx%d)'%(i,i)
        print '\n'.join('['+', '.join(`j`.rjust(2) for j in a)+']' for a in k)
        print 'Permanent:',
        t = time()
        p = perm_ryser(k)
        print p,'(took',time()-t,'seconds)'

if __name__ == '__main__':
    main()

RPython 5.4.1, nº 32 (37 segundos)

from rpython.rlib.rtime import time
from rpython.rlib.rarithmetic import r_int, r_uint
from rpython.rlib.rrandom import Random
from rpython.rlib.rposix import pipe, close, read, write, fork, waitpid
from rpython.rlib.rbigint import rbigint

from math import log, ceil
from struct import pack

bitsize = len(pack('l', 1)) * 8 - 1

bitcounts = bytearray([0])
for i in range(16):
  b = bytearray([j+1 for j in bitcounts])
  bitcounts += b


def bitcount(n):
  bits = 0
  while n:
    bits += bitcounts[n & 65535]
    n >>= 16
  return bits


def main(argv):
  if len(argv) < 2:
    write(2, 'Usage: %s NUM_THREADS [N]'%argv[0])
    return 1
  threads = int(argv[1])

  if len(argv) > 2:
    n = int(argv[2])
    rnd = Random(r_uint(time()*1000))
    m = []
    for i in range(n):
      row = []
      for j in range(n):
        row.append(1 - r_int(rnd.genrand32() & 2))
      m.append(row)
  else:
    m = []
    strm = ""
    while True:
      buf = read(0, 4096)
      if len(buf) == 0:
        break
      strm += buf
    rows = strm.split("\n")
    for row in rows:
      r = []
      for val in row.split(' '):
        r.append(int(val))
      m.append(r)
    n = len(m)

  a = []
  for row in m:
    val = 0
    for v in row:
      val = (val << 1) | -(v >> 1)
    a.append(val)

  batches = int(ceil(n * log(n) / (bitsize * log(2))))

  pids = []
  handles = []
  total = rbigint.fromint(0)
  for i in range(threads):
    r, w = pipe()
    pid = fork()
    if pid:
      close(w)
      pids.append(pid)
      handles.append(r)
    else:
      close(r)
      total = run(n, a, i, threads, batches)
      write(w, total.str())
      close(w)
      return 0

  for pid in pids:
    waitpid(pid, 0)

  for handle in handles:
    strval = read(handle, 256)
    total = total.add(rbigint.fromdecimalstr(strval))
    close(handle)

  print total.rshift(n-1).str()

  return 0


def run(n, a, mynum, threads, batches):
  start = (1 << n-1) * mynum / threads
  end = (1 << n-1) * (mynum+1) / threads

  dtotal = rbigint.fromint(0)
  for delta in range(start, end):
    pdelta = rbigint.fromint(1 - ((bitcount(delta) & 1) << 1))
    for i in range(batches):
      pbatch = 1
      for j in range(i, n, batches):
        pbatch *= n - (bitcount(delta ^ a[j]) << 1)
      pdelta = pdelta.int_mul(pbatch)
    dtotal = dtotal.add(pdelta)

  return dtotal


def target(*args):
  return main

Para compilar, baixe a fonte PyPy mais recente e execute o seguinte:

pypy /path/to/pypy-src/rpython/bin/rpython matrix-permanent.py

O executável resultante será nomeado matrix-permanent-cou semelhante no diretório de trabalho atual.

No PyPy 5.0, as primitivas de encadeamento do RPython são muito menos primitivas do que costumavam ser. Os threads recém-gerados requerem o GIL, que é mais ou menos inútil para cálculos paralelos. Em forkvez disso, usei , portanto, pode não funcionar como esperado no Windows, embora não tenha testado falhas ao compilar ( unresolved external symbol _fork).

O executável aceita até dois parâmetros de linha de comando. O primeiro é o número de threads, o segundo parâmetro opcional é n. Se for fornecido, uma matriz aleatória será gerada, caso contrário, será lida a partir de stdin. Cada linha deve ser separada por nova linha (sem uma nova linha à direita) e cada espaço de valor separado. A terceira entrada de exemplo seria dada como:

1 -1 1 -1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 -1 1 1 -1
1 -1 1 1 1 1 1 -1 1 -1 -1 1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1
-1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1
-1 -1 -1 1 1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1 -1
-1 1 1 1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 1 1 1 1
1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 -1
1 -1 -1 1 -1 -1 -1 1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 -1
1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 1 1 -1 1 -1 1 1 1 -1 1 1
1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 1 1 -1
-1 -1 1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 1 1
-1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1
1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 1 1 1 1 1
-1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1
1 1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 1
1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 -1 1 -1 1 1 1 -1 1 1
1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 -1 -1
-1 1 1 1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1
1 1 -1 -1 1 1 -1 1 1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 -1 1
1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1
-1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1

Uso da amostra

$ time ./matrix-permanent-c 8 30
8395059644858368

real    0m8.582s
user    1m8.656s
sys     0m0.000s

Método

Eu usei a fórmula Balasubramanian-Bax / Franklin-Glynn , com uma complexidade de tempo de execução de O (2 ⁿ n) . No entanto, em vez de iterar o δ na ordem do código cinza, substituí a multiplicação de linhas vetoriais por uma única operação xor (mapeamento (1, -1) → (0, 1)). A soma vetorial também pode ser encontrada em uma única operação, tomando n menos duas vezes a contagem de pop-ups.

Raquete 84 bytes

A função simples a seguir funciona para matrizes menores, mas trava na minha máquina para matrizes maiores:

(for/sum((p(permutations(range(length l)))))(for/product((k l)(c p))(list-ref k c)))

Ungolfed:

(define (f ll) 
  (for/sum ((p (permutations (range (length ll))))) 
    (for/product ((l ll)(c p)) 
      (list-ref l c))))

O código pode ser facilmente modificado para obter um número desigual de linhas e colunas.

Teste:

(f '[[ 1 -1 -1  1]
     [-1 -1 -1  1]
     [-1  1 -1  1]
     [ 1 -1 -1  1]])

(f '[[ 1 -1  1 -1 -1 -1 -1 -1]
 [-1 -1  1  1 -1  1  1 -1]
 [ 1 -1 -1 -1 -1  1  1  1]
 [-1 -1 -1  1 -1  1  1  1]
 [ 1 -1 -1  1  1  1  1 -1]
 [-1  1 -1  1 -1  1  1 -1]
 [ 1 -1  1 -1  1 -1  1 -1]
 [-1 -1  1 -1  1  1  1  1]])

Saída:

-4
192

Como mencionei acima, ele trava nos seguintes testes:

(f '[[1 -1 1 -1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 -1 1 1 -1]
 [1 -1 1 1 1 1 1 -1 1 -1 -1 1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1]
 [-1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1]
 [-1 -1 -1 1 1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1 -1]
 [-1 1 1 1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 1 1 1 1]
 [1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 -1]
 [1 -1 -1 1 -1 -1 -1 1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 -1]
 [1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 1 1 -1 1 -1 1 1 1 -1 1 1]
 [1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 1 1 -1]
 [-1 -1 1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 1 1]
 [-1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1]
 [1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 1 1 1 1 1]
 [-1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1]
 [1 1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 1]
 [1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 -1 1 -1 1 1 1 -1 1 1]
 [1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 -1 -1]
 [-1 1 1 1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1]
 [1 1 -1 -1 1 1 -1 1 1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 -1 1]
 [1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1]
 [-1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1]])