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Game24Plus - 数学谜题生成与解决工具

Game24Plus 是一个用于生成和解决类似于“24点游戏”的数学谜题的 Python 工具。它通过加、减、乘、除四种基本运算，将给定的数字组合成目标数字。该工具支持生成不同数量和范围的数字组合，并提供多种生成方式，包括单进程和多进程并行处理。

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功能特性

• 生成数学谜题：生成指定数量和范围的数字组合，并通过随机运算生成目标数字。
• 解决谜题：递归地尝试所有可能的运算组合，找到达到目标数字的解决方案。
• 多进程并行处理：支持多进程并行生成谜题，提高生成效率。
• 数据保存：生成的谜题和解决方案以 JSONL 格式保存到文件中。

代码结构

主要类与方法

Game24Plus 类

• __init__(self, num_numbers, range_max, target_max, seed=None)
  初始化随机数生成器、数字数量、数字范围、目标数字范围等。

• sample_one_number(self, num_min, num_max)
  生成一个指定范围内的随机整数。

• get_numbers(self)
  生成一组随机整数并排序。

• enumerate_all_numbers(self, num_numbers)
  枚举所有可能的数字组合（递归实现）。

• sample_operation(self, numbers)
  从数字列表中随机选择两个数字和一个运算符，返回运算表达式。

• calculate(self, n1, op, n2)
  根据运算符计算两个数字的结果，处理除法时使用分数。

• get_target(self, numbers)
  通过随机运算将数字列表逐步减少，直到得到一个目标数字，并记录运算过程。

• get_target_limit_range(self, numbers)
  在指定范围内生成目标数字，避免无效结果。

• solve(self, numbers, target)
  递归地尝试所有可能的运算组合，找到达到目标数字的解决方案。

主要函数

• construct_game24_v1
  生成指定数量的谜题，并将结果保存为 JSONL 文件。

• construct_helper
  辅助函数，用于生成指定目标范围内的谜题。

• construct_game24_v3
  使用多进程并行生成谜题，提高生成效率。

• construct_helper_for_v4
  辅助函数，用于多进程版本的谜题生成。

• construct_game24_v4
  使用多进程和多队列实现高效的谜题生成。

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使用示例

生成谜题

from game24plus import Game24Plus

# 初始化
game = Game24Plus(num_numbers=4, range_max=100, target_max=1000)

# 生成一组数字
numbers = game.get_numbers()
print("生成的数字：", numbers)

# 生成目标数字和运算过程
target, operations = game.get_target_limit_range(numbers)
print("目标数字：", target)
print("运算过程：", operations)

解决谜题

# 解决谜题
solution = game.solve(numbers, target=24)
if solution:
    print("解决方案：", solution)
else:
    print("无解")

批量生成谜题

python game24plus.py --num_numbers 4 --output_dir data/gameX/raw_1104

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参数说明

• num_numbers：生成谜题的数字数量（默认为 4）。
• range_max：生成数字的最大值（默认为 101）。
• target_max：目标数字的最大值（默认为 1000）。
• num_samples：生成的谜题数量（默认为 200000）。
• seed：随机数种子（默认为 1234）。
• num_workers：多进程并行处理的工作进程数量（默认为 64）。
• output_dir：输出文件的保存目录（默认为当前目录）。

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输出文件格式

生成的谜题和解决方案以 JSONL 格式保存，每行包含一个 JSON 对象，例如：

{
  "puzzle": "3 4 6 8",
  "target": "24",
  "operations": [
    ["3", "*", "8", "24"],
    ["4", "+", "6", "10"],
    ["10", "-", "3", "7"]
  ]
}

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性能优化

• 多进程并行处理：通过 multiprocessing 模块实现高效的谜题生成。
• 递归算法优化：减少重复计算，提高解决谜题的效率。

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