如何找到所有32位二进制数,正好有6个1和0

问题描述 投票:5回答:4

我可以用蛮力做到这一点,但我希望有聪明的编码,或者现有的功能,或者我没有意识到的东西......

所以我想要一些数字的例子:

00000000001111110000
11111100000000000000
01010101010100000000
10101010101000000000
00100100100100100100

完整的排列。除了结果只有六个1。不多。不低于。 64位或32位是理想的。如果提供答案,则为16位。

python algorithm math binary combinatorics
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我认为你需要的是使用itertools模块。

坏的解决方案

但是你需要小心,例如,使用像permutations这样的东西只能用于非常小的输入。即:

像下面这样的东西会给你一个二进制表示:

>>> ["".join(v) for v in set(itertools.permutations(["1"]*2+["0"]*3))]
['11000', '01001', '00101', '00011', '10010', '01100', '01010', '10001', '00110', '10100']

然后只是得到这些数字的十进制表示:

>>> [int("".join(v), 16) for v in set(itertools.permutations(["1"]*2+["0"]*3))]
[69632, 4097, 257, 17, 65552, 4352, 4112, 65537, 272, 65792]

如果你想要32位,6个,26个零,你可以使用:

>>> [int("".join(v), 16) for v in set(itertools.permutations(["1"]*6+["0"]*26))]

但这个计算需要超级计算机来处理(32!= 263130836933693530167218012160000000)

解决方案

所以更聪明的方法是使用combinations,也许是这样的:

import itertools

num_bits = 32
num_ones = 6
lst = [
    f"{sum([2**vv for vv in v]):b}".zfill(num_bits)
    for v in list(itertools.combinations(range(num_bits), num_ones))
]
print(len(lst))

这将告诉我们在32位数字的整个频谱中有906192数字,其中有6个。

鸣谢:

这个答案的功劳归于@Mark Dickinson谁指出使用permutations是不可行的,并建议使用combinations


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好吧,我不是Python编码器,所以我不能为你发布有效的代码。相反,我可以做一个C ++ ...

如果你看看你的问题,你设置6位和许多零...所以我会通过6嵌套for循环计算所有可能的1s位置并设置位...

就像是:

 for (i0=   0;i0<32-5;i0++)
  for (i1=i0+1;i1<32-4;i1++)
   for (i2=i1+1;i2<32-3;i2++)
    for (i3=i2+1;i3<32-2;i3++)
     for (i4=i3+1;i4<32-1;i4++)
      for (i5=i4+1;i5<32-0;i5++)
       // here i0,...,i5 marks the set bits positions

所以O(2^32)变得不到'~O(26.25.24.23.22.21 / 16)并且你不能比那更快,因为这意味着你错过了有效的解决方案......

我假设您要打印数字,所以为了加快您可以从头开始计算二进制数字符串的数字,以避免字符串和数字之间的缓慢转换...

嵌套的for循环可以编码为数组的递增操作(类似于bignum算术)

当我把所有这些放在一起时,我得到了这个C ++代码:

int generate()
    {
    const int n1=6;     // number of set bits
    const int n=32;     // number of bits
    char x[n+2]; // output number string
    int i[n1],j,cnt; // nested for loops iterator variables and found solutions count
    for (j=0;j<n;j++) x[j]='0'; x[j]='b'; j++; x[j]=0;  // x = 0
    for (j=0;j<n1;j++){ i[j]=j; x[i[j]]='1'; } // first solution
    for (cnt=0;;)
        {
//      Form1->mm_log->Lines->Add(x);   // here x is the valid answer to print
        cnt++;
        for (j=n1-1;j>=0;j--) // this emulates n1 nested for loops
            {
            x[i[j]]='0'; i[j]++;
            if (i[j]<n-n1+j+1){ x[i[j]]='1'; break; }
            }
        if (j<0) break;
        for (j++;j<n1;j++){ i[j]=i[j-1]+1; x[i[j]]='1'; }
        }
    return cnt;         // found valid answers
    };

当我使用n1=6,n=32时,我得到了这个输出(没有打印数字):

cnt = 906192

它是在AMD A8-5500 3.2GHz(win7 x64 32位应用程序无线程)的4.246 ms上完成的,这对我来说足够快......

一旦你开始在某个地方输出数字,请注意速度会急剧下降。特别是如果输出到控制台或者什么......输出缓冲输出可能会更好,比如一次输出1024个字符串数等等...但正如我之前提到的,我不是Python编码器所以它可能已经由环境...

除此之外,一旦你将使用变量n1,n,你可以为零而不是1做同样的事情并使用更快的方法(如果有更少的零然后使用嵌套for循环来标记零而不是1)

如果想要的解决方案号码是一个数字(不是一个字符串),那么它可以重写这个,所以i[]i0,..i5保持位掩码而不是位位置...而不是inc / dec你只是左/右移位...并且不再需要x阵列,因为数字将是x = i0|...|i5 ...


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您可以为数字中的1s位置创建一个计数器数组,并通过移动各自位置的位来组装它。我在下面创建了一个例子。它运行速度非常快(我的笔记本电脑上的32位不到一秒钟):

bitCount = 32
oneCount = 6
maxBit   = 1<<(bitCount-1)
ones     = [1<<b for b in reversed(range(oneCount)) ] # start with bits on low end
ones[0] >>= 1  # shift back 1st one because it will be incremented at start of loop
index    = 0
result   = []
while index < len(ones):
    ones[index] <<= 1                # shift one at current position
    if index == 0:
        number = sum(ones)           # build output number
        result.append(number)
    if ones[index] == maxBit:    
        index += 1                   # go to next position when bit reaches max
    elif index > 0:               
        index -= 1                   # return to previous position
        ones[index] = ones[index+1]  # and prepare it to move up (relative to next)

64位大约需要一分钟,大致与输出值的数量成比例。上)

在递归生成器函数中可以更简洁地表达相同的方法,这将允许更有效地使用位模式:

def genOneBits(bitcount=32,onecount=6):
    for bitPos in range(onecount-1,bitcount):
        value = 1<<bitPos
        if onecount == 1: yield value; continue
        for otherBits in genOneBits(bitPos,onecount-1):
            yield value + otherBits

result = [ n for n in genOneBits(32,6) ] 

当你获得所有数字时,这并不快,但它允许部分访问列表而不通过所有值。

如果需要直接访问第N位模式(例如,获取随机的1位模式),则可以使用以下函数。它就像索引列表一样,但不必生成模式列表。

def numOneBits(bitcount=32,onecount=6):
    def factorial(X): return 1 if X < 2 else X * factorial(X-1)
    return factorial(bitcount)//factorial(onecount)//factorial(bitcount-onecount)

def nthOneBits(N,bitcount=32,onecount=6):
    if onecount == 1: return 1<<N
    bitPos = 0
    while bitPos<=bitcount-onecount:
        group = numOneBits(bitcount-bitPos-1,onecount-1)
        if N < group: break
        N -= group
        bitPos += 1
    if bitPos>bitcount-onecount: return None
    result  = 1<<bitPos
    result |= nthOneBits(N,bitcount-bitPos-1,onecount-1)<<(bitPos+1)
    return result


 # bit pattern at position 1000:
 nthOneBit(1000) # --> 10485799 (00000000101000000000000000100111)

这允许您在非常大的整数上获得无法完全生成的位模式:

 nthOneBits(10000, bitcount=256, onecount=9) 

 # 77371252457588066994880639
 # 100000000000000000000000000000000001000000000000000000000000000000000000000000001111111

值得注意的是,模式顺序不遵循相应数字的数字顺序

虽然nthOneBits()可以立即生成任何模式,但是在批量生成模式时它比其他函数慢得多。如果需要按顺序操作它们,则应该使用生成器函数而不是在nthOneBits()上循环。

此外,调整生成器以使其以特定模式启动应该相当容易,这样您就可以充分利用这两种方法。

最后,在给定已知模式的情况下获得下一位模式可能是有用的。这就是以下函数的作用:

def nextOneBits(N=0,bitcount=32,onecount=6):
     if N == 0: return (1<<onecount)-1
     bitPositions = []
     for pos in range(bitcount):
         bit = N%2
         N //= 2
         if bit==1: bitPositions.insert(0,pos)         
     index = 0
     result = None
     while index < onecount:
         bitPositions[index] += 1
         if bitPositions[index] == bitcount:
             index += 1
             continue
         if index == 0:
             result = sum( 1<<bp for bp in bitPositions )
             break
         if index > 0:
             index -= 1
             bitPositions[index] = bitPositions[index+1]
     return result    

nthOneBits(12)      #--> 131103 00000000000000100000000000011111 
nextOneBits(131103) #--> 262175 00000000000001000000000000011111  5.7ns
nthOneBits(13)      #--> 262175 00000000000001000000000000011111 49.2ns

与nthOneBits()一样,这个不需要任何设置时间。它可以与nthOneBits()结合使用,以便在给定位置获得初始模式后获得后续模式。 nextOneBits()比nthOneBits(i + 1)快得多,但仍然比生成器函数慢。

对于非常大的整数,使用nthOneBits()和nextOneBits()可能是唯一的实用选项。


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你正在处理multisets的排列。有许多方法可以实现这一点,正如@BPL指出的那样,有效地做到这一点并非易事。这里提到了很多很棒的方法:permutations with unique values。最干净的(不确定它是否最有效)是使用multiset_permutations模块中的sympy

import time
from sympy.utilities.iterables import multiset_permutations

t = time.process_time()

## Credit to @BPL for the general setup
multiPerms = ["".join(v) for v in multiset_permutations(["1"]*6+["0"]*26)]  

elapsed_time = time.process_time() - t

print(elapsed_time)

在我的机器上,上面的计算时间超过8秒。它也产生了不到一百万的结果:

len(multiPerms)
906192
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