2019年2月8日 更新

量子アニーリングを駆使して数独を解いてみた

先日,量子アニーリングの勉強会に参加して来ました.そのアウトプットとして,今回,数独ソルバーを作ってみます.

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はじめに

先日,量子アニーリングの勉強会に参加して来ました.そのアウトプットとして,今回,数独ソルバーを作成しました.数独を解く方針は以下の通りです.

  • 処理1.与えられた数字を元に各マスに入りうる数字を考える.その個数が1つであれば,それをマスに入れる.
  • 処理2.各マスに入りうる数字がすべて複数個となるまで1を繰り返す.
  • 処理3.各マスに入りうる数字を列挙する.
  • 処理4.数字を仮置きして1と2を繰り返す.途中で矛盾が生じたら仮置きをやり直す.
  • 処理5.完成

処理1,2,3では量子アニーリングを使わず,処理4で量子アニーリングを使用しました.

実装

check_line 関数:列または行を確認してマスに入りうる数字を返す
check_block 関数:3×3のブロックを確認してマスに入りうる数字を返す
solve_quiz 関数:処理1,2を行う
import numpy as np
import pandas as pd
from sympy import *
import re
import wildqat

def check_line(quiz_, id_row):

    digit = [1,2,3,4,5,6,7,8,9]
    digit_fill = quiz_[id_row][quiz_[id_row]>0]
    digit_blank = np.setdiff1d(digit, digit_fill)
    return digit_blank

#------------------------------------------------------------------------------------------------

def check_block(quiz_, id_row, id_col):

    id_row = id_row // 3
    id_col = id_col // 3
    quiz_block = quiz_.reshape((3,3,3,3))[id_row, :, id_col]

    digit = [1,2,3,4,5,6,7,8,9]
    digit_fill = quiz_block[quiz_block>0]
    digit_blank = np.setdiff1d(digit, digit_fill)
    return digit_blank

#------------------------------------------------------------------------------------------------

def solve_quiz(quiz_):

    id_blank = []
    while True:

        #---- if 'len(id_blank)' is the same as the previous loop, 'while loop' ends
        if len(id_blank) == len(np.array(np.where(quiz_==0)).T):
            break

        #---- obtain 'candidate' that can be filled in the blank
        #---- then, if the number of 'candidate' is one, fill in the blank
        id_blank = np.array(np.where(quiz_==0)).T
        for id_blank_row, id_blank_col in id_blank:    
            candidate_row = check_line(quiz_, id_blank_row)
            candidate_col = check_line(quiz_.T, id_blank_col)
            candidate_block = check_block(quiz_, id_blank_row, id_blank_col)

            candidate_concat = np.concatenate((candidate_row, candidate_col, candidate_block))
            candidate_unique = np.unique(candidate_concat, return_counts=True)
            candidate = candidate_unique[0][candidate_unique[1]==3]

            if len(candidate) == 1:
                quiz_[id_blank_row, id_blank_col] = int(candidate)

    return quiz_
その1.py
問題と解答を設定し,処理1および2を行います.
quiz = np.array([
    [2,0,5,1,3,0,0,0,4],
    [0,0,0,0,4,8,0,0,0],
    [0,0,0,0,0,7,0,2,0],
    [0,3,8,5,0,0,0,9,2],
    [0,0,0,0,9,0,7,0,0],
    [0,0,0,0,0,0,4,5,0],
    [8,6,0,9,7,0,0,0,0],
    [9,5,0,0,0,0,0,3,1],
    [0,0,4,0,0,0,0,0,0]
], dtype=object)

sol = np.array([
    [2,8,5,1,3,9,6,7,4],
    [6,7,3,2,4,8,5,1,9],
    [4,1,9,6,5,7,3,2,8],
    [7,3,8,5,6,4,1,9,2],
    [5,4,2,3,9,1,7,8,6],
    [1,9,6,7,8,2,4,5,3],
    [8,6,1,9,7,3,2,4,5],
    [9,5,7,4,2,6,8,3,1],
    [3,2,4,8,1,5,9,6,7]
], dtype=object)

quiz = solve_quiz(quiz)
その2.py
 (5357)

処理1および2の結果.0はマスに何も入っていないことを表します.計47マスが空いています.
「処理3.各マスに入りうる数字を列挙する.」を行います.
id_blank = np.array(np.where(quiz==0)).T
candidate_li = []
row_li = []
col_li = []
q_li = []

for id_blank_row, id_blank_col in id_blank:    
    candidates_row = check_line(quiz, id_blank_row)
    candidates_col = check_line(quiz.T, id_blank_col)
    candidates_block = check_block(quiz, id_blank_row, id_blank_col)
    
    candidates_concat = np.concatenate((candidates_row, candidates_col, candidates_block))
    candidates_unique = np.unique(candidates_concat, return_counts=True)
    candidates = candidates_unique[0][candidates_unique[1]==3]

    for candidate in candidates:
        row_li.append(id_blank_row)
        col_li.append(id_blank_col)
        candidate_li.append(candidate)
        q_li.append('q{}{}{}'.format(str(id_blank_row), str(id_blank_col), str(candidate)))
        
df = pd.DataFrame({
    'row': row_li,
    'col': col_li,
    'candidate': candidate_li,
    'q': q_li
})
その3.py
 (5360)

各マスに入りうる数字の総数は152となりました.
次の制約を使って立式します.
制約1.1つのマスに入りうる数字の中から1つだけ選んだ場合,0となる
制約2.1行で数字が重複しない場合,0となる
制約3.1列で数字が重複しない場合,0となる
制約4.3×3のブロック内で数字が重複しない場合,0となる
E = 0

#---- define (Σqi -1)**2 for each cells
for row, col in df.loc[:, ['row', 'col']].drop_duplicates().values:
    f=0
    for q in df.loc[(df['row']==row) & (df['col']==col), 'q'].tolist():
        f += Symbol(q)
    f -= 1
    f = f**2
    E += expand(f)

    
#---- define (Σqi - 1)**2 for each rows
for row in range(9):
    df_row = df.loc[df['row']==row, :]
    
    for candidate in df_row['candidate'].unique():
        f = 0
        for q in df_row.loc[df_row['candidate']==candidate, 'q'].tolist():
            f += Symbol(q)
        f -= 1
        f = f**2
        E += expand(f)
        
        
#---- define (Σqi - 1)**2 for each cols
for col in range(9):
    df_col = df.loc[df['col']==col, :]
    
    for candidate in df_col['candidate'].unique():
        f = 0
        for q in df_col.loc[df_col['candidate']==candidate, 'q'].tolist():
            f += Symbol(q)
        f -= 1
        f = f**2
        E += expand(f)


#---- define (Σqi - 1)**2 for each blocks
for row in [[0,1,2], [3,4,5], [6,7,8]]:
    for col in [[0,1,2], [3,4,5], [6,7,8]]:
        df_block = df.loc[(df['row']>=min(row)) & (df['row']<=max(row)) & (df['col']>=min(col)) & (df['col']<=max(col))]        
        
        for candidate in df_block['candidate'].unique():
            f = 0
            for q in df_block.loc[df_block['candidate']==candidate, 'q'].tolist():
                f += Symbol(q)
            f -= 1
            f = f**2
            E += expand(f)
その4.py
 (5363)

先程の制約を元にして得られた式です.細かすぎて1つ1つの項は見えないかもしれないですが,雰囲気だけでも分かって頂ければ.この式の最小値である0になる変数を見つけられれば,制約1~4を満たし,数独が解けたことになります.因みに変数の数は152個です.つまり,この式の最小化を量子アニーリングでやるというのが,今回のタスクとなります.
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井上 大輝 井上 大輝