Na IOI-u 2010. prvi put smo se susreli s tipom zadatka u kojemu treba poslati neku informaciju u što manje bitova. Zadatak se zvao Saveit i trebalo je, za zadani graf, najkraće udaljenosti (između zadanih posebnih vrhova do svih ostalih) poslati kao bitovni niz iz jednog programa (encoder) u drugi program (decoder) koji će taj niz znati protumačiti, tj. iz binarnog niza rekonstruirati tražene udaljenosti. Trebalo je, naravno, napisati oba programa.

Naivno je rješenje svaku udaljenost poslati kao binaran broj, što rezultira prevelikim ukupnim brojem bitova. Ključna ideja bila je iskoristiti činjenicu da, ako su X i X’ susjedi u grafu, udaljenost(X, Y) razlikuje se od udaljenosti(X’, Y) najviše za 1. Zato je za ovu drugu udaljenost, pod pretpostavkom da smo već poslali prvu, dovoljno poslati samo razliku (-1, 0 ili 1) što možemo dvama bitovima. Ili, još bolje, konstruiramo ternarni niz koji prije slanja pretvorimo u binarni. Detalje ostavljamo čitateljici za vježbu, a cijelo rješenje imate npr. ovdje (napisala ga je moja malenkost, doduše poslije natjecanja).

Tako se na IOI-u pojavila nova tema, koju smo u Hrvatskoj ponekad zvali komunikacijskom složenošću jer se radi o veličini poruka između dvaju programa. Riječ je još i o zadatcima Parrots iz 2011., Supper iz 2012. i Stations iz 2020., a i na CEOI-u 2016. pojavio se zadatak Trick.

Ima to veze i s kompresijskim algoritmima, npr. onima koji smanje veličinu datoteka kad ih zipate, ali za razliku od tih algoritama koji su prilično generički (ne tumače sadržaj datoteka), u ovim problemima traži se kompresija specifična za dani problem. Tako mi je palo na pamet sljedeće pitanje: kako zakodirati partiju šaha, u smislu poteza koji su odigrani? Naravno, pitanje je prilično beskorisno budući da tekstualni zapis šahovske partije nije uopće velik, vjerojatno ste ga i vidjeli (riječ je o Portable Game Notation – PGN), primjerice:

1. e4 e5 2. Nf3 Nc6 3. Bb5 a6 4. Ba4 Nf6 5. O-O Be7 6. Re1 b5 7. Bb3 d6 8. c3 O-O 9. h3 Nb8 10. d4 Nbd7 11. c4 c6 12. cxb5 axb5 13. Nc3 Bb7 14. Bg5 b4 15. Nb1 h6 16. Bh4 c5 17. dxe5 Nxe4 18. Bxe7 Qxe7 19. exd6 Qf6 20. Nbd2 Nxd6 21. Nc4 Nxc4 22. Bxc4 Nb6 23. Ne5 Rae8 24. Bxf7+ Rxf7 25. Nxf7 Rxe1+ 26. Qxe1 Kxf7 27. Qe3 Qg5 28. Qxg5 hxg5 29. b3 Ke6 30. a3 Kd6 31. axb4 cxb4 32. Ra5 Nd5 33. f3 Bc8 34. Kf2 Bf5 35. Ra7 g6 36. Ra6+ Kc5 37. Ke1 Nf4 38. g3 Nxh3 39. Kd2 Kb5 40. Rd6 Kc5 41. Ra6 Nf2 42. g4 Bd3 43. Re6 1/2-1/2

Ali čemu tražiti svrhu, ni većina drugih informatičkih zadataka nije u ovom smislu korisna. Najbolje stvari su beskorisne. Razmislimo onda kako bismo zakodirali ovakav niz poteza u što manju (binarnu ili tekstualnu) datoteku. Želite li se sami zabaviti razmišljajući o tome, slobodno ovdje prestanite čitati…

Na prvi pogled nije lako jako nadmašiti gornji PGN zapis, ali neke redukcije možemo smisliti relativno brzo. Primjerice: nema potrebe navoditi redni broj poteza; moguće je izostaviti i razmake; ne trebaju nam znakovi x (za jedenje) i + (za šah). Moguća su i sitnija poboljšanja: rezultat na kraju može se zapisati samo jednim znakom, a ponekad (npr. u slučaju mata ili pata) on nije ni potreban jer slijedi iz pozicije; rokadu je moguće prikazati jednim znakom; neka jedenja od strane pješaka (npr. hxg5) dovoljno je pisati kao običan potez (g5) ako ne može doći do zabune, tj. ako u tom trenutku ne postoje dva pješaka koji mogu jesti na g5. Tu ideju možemo proširiti i na druge figure pa pisati npr. e1 umjesto Ke1 ako u tom trenutku samo kralj može odigrati na e1. Nisu ta poboljšanja nimalo loša, ali… zasad smo još uvijek vrlo bliski PGN formatu; i dalje nam trebaju 2-3 znaka po potezu. Ako je jedan znak jedan bajt, riječ je o približno 20 bitova po prosječnom potezu. To je nekoliko puta manje od originalnog PGN zapisa, ali može i bolje!

Dobra je ideja odustati od tekstualnog zapisa, od znakova, jer 8 bitova za jedan znak nije dobar deal. Ono što zapravo zapisujemo polja su šahovske ploče, a njih je 64 = 2⁶, što znači da je za zapis jednog polja dovoljno samo 6 bitova. Zapisujemo li potez kao par (početno polje, završno polje), dovoljno je 12 bitova po potezu – mnogo bolje od tekstualnog zapisa! Ipak, postoje i posebni potezi koje nije moguće tako zapisati: mala/velika rokada, završetak partije (kao predaja bijelog/crnog ili dogovoreni remi) ili izvlačenje nove figure gdje treba precizirati izvlači li se kraljica ili nešto drugo. Srećom, možemo se izvući tako da svaki od tih nekoliko posebnih poteza zapišemo kao neki potez koji je inače nemoguć. Recimo, mala rokada može biti zapisana kao da je riječ o potezu a1-b8, velika kao a1-c8, predaja bijelog kao a1-d8, itd. I dalje smo na 12 bitova po potezu!

Slijedi zamjedba da je umjesto početnog polja (6 bitova) bolje zakodirati figuru koja odigrava potez, jer budući da igrač ima samo 16 figura, svaka može biti određena 4-bitnim kodom. Posebne poteze i ovdje možemo zakodirati kao poteze koji su inače nemogući (npr. za bijelog pješak na a1, b1…, a za crnog pješak na a8, b8…). Već smo na 10 bitova po potezu!

Prethodni odlomci navode nas na pomisao da kompresija još uvijek nije optimalna jer postoji nemogući potezi. Ali ne samo potezi koji su uvijek nemogući, poput bijelog pješaka na prvi red ploče ili bjelopoljnog lovca na crno polje, nego i mnoštvo poteza koji su nemogući u danom trenutku partije. Pozicija na ploči, u bilo kojem trenutku, dopušta samo vrlo ograničen skup poteza i nema potrebe koristiti cijeli skup od 2¹⁰ šahovskih poteza da bismo zapisali što je u tom trenutku odigrano. Drugim riječima, većina kodova uopće ne opisuje dozvoljene poteze i to je očit znak da smo još uvijek rastrošni. To je pogotovo jasno, recimo, na početku partije kada se mogu micati samo pješaci i skakači, ili u završnici kad većine figura više i nema na ploči. Ako je u nekom trenutku samo desetak dozvoljenih poteza, ne bi li nam četiri bita trebala biti dovoljna?

Kako ostvariti tu ideju? Evo kako. Za trenutačnu poziciju odredimo sve dopuštene poteze, sortiramo ih “abecedno” (ili bilo kojim drugim kriterijem), pronađemo onaj indeks u tom nizu na kojem se nalazi potez koji je zaista odigran, i zakodiramo taj indeks. Našao sam na webu podatak (dobiven empirijski) da je prosječan broj dopuštenih poteza u nekoj poziciji približno 31. To znači da bi prosječno 5 bitova trebalo biti dovoljno. Na prvi pogled može biti nejasno kako to iskoristiti jer broj dopuštenih poteza može, naravno, biti i veći – poznata je pozicija iz stvarne partije gdje je taj broj bio 79, a teoretski se on može popeti i do 218 pa nam može zatrebati i 8 bitova. Treba li nam onda neki “separator” koji će dijeliti broj s manje bitova od onog s više bitova? Ne, jer dekoder u svakom trenutku – ako prati poziciju – može znati koliko je dopuštenih poteza, a time i koliko idućih bitova treba pročitati da bi odredio indeks odigranog poteza u tom nizu. Na primjer, ako je 14 dopuštenih poteza, pročitat će četiri iduća bita da otkrije indeks odigranog (makar on bio i 0000).

Dakle, prosječno samo 5 bitova po potezu! Mana je ovog rješenja što i enkoder i dekoder moraju biti programi koji znaju igrati šah, ili barem znaju njegova pravila, jer moraju znati odrediti dopuštene poteze (te ih sortirati po istom kriteriju). Ali čini se da bolje rješenje ne postoji: uočite da svaki proizvoljno dug niz bitova (bio on i slučajan), osim pri samom kraju gdje mu može “nedostajati” bitova, opisuje neku legalnu partiju – što za prijašnja rješenja ni izdaleka ne vrijedi. Ne može bolje! Ili?

Imam i nedovršenu ideju za bolje rješenje. Dosjetka je u tome da, iako pozicija nudi 30ak mogućih poteza, nisu svi jednako vjerojatni: postoje dobri i loši potezi te, što je potez bolji, veća je vjerojatnost da je odigran. To vrijedi i za partije potpunih amatera: u svakoj poziciji postoji značajan broj zbilja besmislenih poteza koje nitko normalan neće odigrati. Kako to iskoristiti? Ovdje nam, nažalost, nije dovoljno da enkoder i dekoder znaju igrati šah. Za ovo rješenje oni bi morali dobro igrati šah, procjenjujući (na jednak način) koliko je koji potez dobar. Pa dobro, to nije neostvarivo, mogu koristiti isti šahovski engine. No što dalje? Umjesto da sortiramo dopuštene poteze po abecedi, sortirat ćemo ih po kvaliteti poteza. Tako će bolji potezi (koji se češće igraju) imati manji indeks pa će za njihov zapis trebati manje bitova. Tako, as a side effect, kvalitetu igrača možemo mjeriti duljinom zapisa njegovih poteza.

No ovdje se javlja problem koji sam natuknuo u jednom od prethodnih odlomaka. Ako postoje, recimo, 32 dopuštena poteza (5 bitova), a odigran je šesti potez po kvaliteti, želimo iskoristiti činjenicu da je indeks mali i zapisati ga koristeći 3 bita. Ali kako će dekoder znati da treba pročitati samo iduća 3 bita, a ne 5? Treba nam, možda, neki separator, ali i on mora biti binaran, i ne smije zauzeti previše bitova… Ako netko ima pametnu ideju kako ovo riješiti, neka napiše u komentar.