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非常に基本的に、このツールは、いくつかの条件を満たす必要がある変数の値を見つけるのに役立ちます。手計算で計算するのは非常に面倒です。したがって、Z3に変数が満たす必要のある条件を指示することができ、それが可能であればいくつかの値を見つけることができます。
基本的な操作
ブール値/And/Or/Not
#pip3 install z3-solver
from z3 import *
s = Solver() #The solver will be given the conditions
x = Bool("x") #Declare the symbos x, y and z
y = Bool("y")
z = Bool("z")
# (x or y or !z) and y
s.add(And(Or(x,y,Not(z)),y))
s.check() #If response is "sat" then the model is satifable, if "unsat" something is wrong
print(s.model()) #Print valid values to satisfy the model
Ints/Simplify/Reals
整数/簡略化/実数
from z3 import *
x = Int('x')
y = Int('y')
#Simplify a "complex" ecuation
print(simplify(And(x + 1 >= 3, x**2 + x**2 + y**2 + 2 >= 5)))
#And(x >= 2, 2*x**2 + y**2 >= 3)
#Note that Z3 is capable to treat irrational numbers (An irrational algebraic number is a root of a polynomial with integer coefficients. Internally, Z3 represents all these numbers precisely.)
#so you can get the decimals you need from the solution
r1 = Real('r1')
r2 = Real('r2')
#Solve the ecuation
print(solve(r1**2 + r2**2 == 3, r1**3 == 2))
#Solve the ecuation with 30 decimals
set_option(precision=30)
print(solve(r1**2 + r2**2 == 3, r1**3 == 2))
モデルの表示
To print the model, you can use the model
method provided by the Z3 library. This method returns a string representation of the model.
モデルを表示するには、Z3ライブラリが提供するmodel
メソッドを使用します。このメソッドは、モデルの文字列表現を返します。
print(s.model())
print(s.model())
The output will display the values assigned to each variable in the model.
出力には、モデル内の各変数に割り当てられた値が表示されます。
from z3 import *
x, y, z = Reals('x y z')
s = Solver()
s.add(x > 1, y > 1, x + y > 3, z - x < 10)
s.check()
m = s.model()
print ("x = %s" % m[x])
for d in m.decls():
print("%s = %s" % (d.name(), m[d]))
マシンの算術
現代のCPUと主流のプログラミング言語は、固定サイズのビットベクトル上での算術を使用しています。マシンの算術は、Z3Pyではビットベクトルとして利用できます。
from z3 import *
x = BitVec('x', 16) #Bit vector variable "x" of length 16 bit
y = BitVec('y', 16)
e = BitVecVal(10, 16) #Bit vector with value 10 of length 16bits
a = BitVecVal(-1, 16)
b = BitVecVal(65535, 16)
print(simplify(a == b)) #This is True!
a = BitVecVal(-1, 32)
b = BitVecVal(65535, 32)
print(simplify(a == b)) #This is False
符号付き/符号なしの数値
Z3は、ビットベクトルが符号付きか符号なしかによって処理が異なる特別な符号付きバージョンの算術演算を提供します。Z3Pyでは、演算子**<、<=、>、>=、/、%、および>>が符号付きバージョンに対応しています。対応する符号なし演算子はULT、ULE、UGT、UGE、UDiv、URem、およびLShR**です。
from z3 import *
# Create to bit-vectors of size 32
x, y = BitVecs('x y', 32)
solve(x + y == 2, x > 0, y > 0)
# Bit-wise operators
# & bit-wise and
# | bit-wise or
# ~ bit-wise not
solve(x & y == ~y)
solve(x < 0)
# using unsigned version of <
solve(ULT(x, 0))
関数
解釈された関数は、関数 + が固定された標準的な解釈を持つ算術などの関数です(2つの数を足します)。解釈されていない関数と定数は最大限の柔軟性を持ち、関数または定数に関する制約と整合性のある****任意の解釈を許容します。
例:xに対してfを2回適用すると、再びxになりますが、xに対してfを1回適用するとxとは異なります。
from z3 import *
x = Int('x')
y = Int('y')
f = Function('f', IntSort(), IntSort())
s = Solver()
s.add(f(f(x)) == x, f(x) == y, x != y)
s.check()
m = s.model()
print("f(f(x)) =", m.evaluate(f(f(x))))
print("f(x) =", m.evaluate(f(x)))
print(m.evaluate(f(2)))
s.add(f(x) == 4) #Find the value that generates 4 as response
s.check()
print(m.model())
例
数独ソルバー
from z3 import *
def solve_sudoku(grid):
# Create a 9x9 grid of integer variables
cells = [[Int(f"cell_{i}_{j}") for j in range(9)] for i in range(9)]
# Each cell must contain a value between 1 and 9
cell_constraints = [And(1 <= cells[i][j], cells[i][j] <= 9) for i in range(9) for j in range(9)]
# Each row must contain distinct values
row_constraints = [Distinct(cells[i]) for i in range(9)]
# Each column must contain distinct values
column_constraints = [Distinct([cells[i][j] for i in range(9)]) for j in range(9)]
# Each 3x3 subgrid must contain distinct values
subgrid_constraints = [Distinct([cells[i + k][j + l] for k in range(3) for l in range(3)]) for i in range(0, 9, 3) for j in range(0, 9, 3)]
# Add the initial values to the grid
initial_constraints = [cells[i][j] == grid[i][j] for i in range(9) for j in range(9) if grid[i][j] != 0]
# Create the solver and add all the constraints
solver = Solver()
solver.add(cell_constraints + row_constraints + column_constraints + subgrid_constraints + initial_constraints)
# Check if there is a solution
if solver.check() == sat:
# Get the solution
model = solver.model()
# Extract the values from the model
solution = [[model.evaluate(cells[i][j]).as_long() for j in range(9)] for i in range(9)]
return solution
return None
# Example Sudoku grid
grid = [
[5, 3, 0, 0, 7, 0, 0, 0, 0],
[6, 0, 0, 1, 9, 5, 0, 0, 0],
[0, 9, 8, 0, 0, 0, 0, 6, 0],
[8, 0, 0, 0, 6, 0, 0, 0, 3],
[4, 0, 0, 8, 0, 3, 0, 0, 1],
[7, 0, 0, 0, 2, 0, 0, 0, 6],
[0, 6, 0, 0, 0, 0, 2, 8, 0],
[0, 0, 0, 4, 1, 9, 0, 0, 5],
[0, 0, 0, 0, 8, 0, 0, 7, 9]
]
# Solve the Sudoku
solution = solve_sudoku(grid)
# Print the solution
if solution:
for row in solution:
print(row)
else:
print("No solution found.")
from z3 import *
def solve_sudoku(grid):
# 9x9の整数変数のグリッドを作成
cells = [[Int(f"cell_{i}_{j}") for j in range(9)] for i in range(9)]
# 各セルは1から9の値を含む必要がある
cell_constraints = [And(1 <= cells[i][j], cells[i][j] <= 9) for i in range(9) for j in range(9)]
# 各行は異なる値を含む必要がある
row_constraints = [Distinct(cells[i]) for i in range(9)]
# 各列は異なる値を含む必要がある
column_constraints = [Distinct([cells[i][j] for i in range(9)]) for j in range(9)]
# 各3x3のサブグリッドは異なる値を含む必要がある
subgrid_constraints = [Distinct([cells[i + k][j + l] for k in range(3) for l in range(3)]) for i in range(0, 9, 3) for j in range(0, 9, 3)]
# グリッドに初期値を追加
initial_constraints = [cells[i][j] == grid[i][j] for i in range(9) for j in range(9) if grid[i][j] != 0]
# ソルバーを作成し、すべての制約を追加
solver = Solver()
solver.add(cell_constraints + row_constraints + column_constraints + subgrid_constraints + initial_constraints)
# 解が存在するかチェック
if solver.check() == sat:
# 解を取得
model = solver.model()
# モデルから値を抽出
solution = [[model.evaluate(cells[i][j]).as_long() for j in range(9)] for i in range(9)]
return solution
return None
# 例となる数独グリッド
grid = [
[5, 3, 0, 0, 7, 0, 0, 0, 0],
[6, 0, 0, 1, 9, 5, 0, 0, 0],
[0, 9, 8, 0, 0, 0, 0, 6, 0],
[8, 0, 0, 0, 6, 0, 0, 0, 3],
[4, 0, 0, 8, 0, 3, 0, 0, 1],
[7, 0, 0, 0, 2, 0, 0, 0, 6],
[0, 6, 0, 0, 0, 0, 2, 8, 0],
[0, 0, 0, 4, 1, 9, 0, 0, 5],
[0, 0, 0, 0, 8, 0, 0, 7, 9]
]
# 数独を解く
solution = solve_sudoku(grid)
# 解を表示
if solution:
for row in solution:
print(row)
else:
print("解が見つかりませんでした。")
# 9x9 matrix of integer variables
X = [ [ Int("x_%s_%s" % (i+1, j+1)) for j in range(9) ]
for i in range(9) ]
# each cell contains a value in {1, ..., 9}
cells_c = [ And(1 <= X[i][j], X[i][j] <= 9)
for i in range(9) for j in range(9) ]
# each row contains a digit at most once
rows_c = [ Distinct(X[i]) for i in range(9) ]
# each column contains a digit at most once
cols_c = [ Distinct([ X[i][j] for i in range(9) ])
for j in range(9) ]
# each 3x3 square contains a digit at most once
sq_c = [ Distinct([ X[3*i0 + i][3*j0 + j]
for i in range(3) for j in range(3) ])
for i0 in range(3) for j0 in range(3) ]
sudoku_c = cells_c + rows_c + cols_c + sq_c
# sudoku instance, we use '0' for empty cells
instance = ((0,0,0,0,9,4,0,3,0),
(0,0,0,5,1,0,0,0,7),
(0,8,9,0,0,0,0,4,0),
(0,0,0,0,0,0,2,0,8),
(0,6,0,2,0,1,0,5,0),
(1,0,2,0,0,0,0,0,0),
(0,7,0,0,0,0,5,2,0),
(9,0,0,0,6,5,0,0,0),
(0,4,0,9,7,0,0,0,0))
instance_c = [ If(instance[i][j] == 0,
True,
X[i][j] == instance[i][j])
for i in range(9) for j in range(9) ]
s = Solver()
s.add(sudoku_c + instance_c)
if s.check() == sat:
m = s.model()
r = [ [ m.evaluate(X[i][j]) for j in range(9) ]
for i in range(9) ]
print_matrix(r)
else:
print "failed to solve"
参考文献
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