Tubes_1_AI.ipynb

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  "cells": [
    {
      "cell_type": "markdown",
      "metadata": {
        "id": "cfPFIm271pWy"
      },
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        "# Prep"
      ]
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        "id": "99ZyLQIr61zy"
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      "source": [
        "from random import randint\n",
        "import numpy as np\n",
        "import copy\n",
        "import time"
      ]
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        "id": "qBWIc9X29kWp"
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      "source": [
        "n = 5\n",
        "magicnum = n*(n**3+1)//2"
      ]
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    {
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        "id": "GTiB_3dh1opk"
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      "outputs": [],
      "source": [
        "def makecube():\n",
        "  ret = [[[0 for i in range (n)] for j in range(n)] for k in range (n)]\n",
        "  num = [i+1 for i in range (n*n*n)]\n",
        "  for i in range (n):\n",
        "    for j in range (n):\n",
        "      for k in range (n):\n",
        "        x = randint(0,len(num)-1)\n",
        "        ret[i][j][k] = num[x]\n",
        "        num.pop(x)\n",
        "  return ret"
      ]
    },
    {
      "cell_type": "code",
      "execution_count": null,
      "metadata": {
        "id": "k553ZMxY-0_W"
      },
      "outputs": [],
      "source": [
        "def sumcol(x):\n",
        "  ans = 0\n",
        "  for i in range(n):\n",
        "    for j in range(n):\n",
        "      temp = 0\n",
        "      for k in range(n):\n",
        "        temp += x[i][k][j]\n",
        "      ans += (temp-magicnum)**2\n",
        "  return ans\n",
        "\n",
        "def sumrow(x):\n",
        "  ans = 0\n",
        "  for i in range(n):\n",
        "    for j in range(n):\n",
        "      temp = 0\n",
        "      for k in range(n):\n",
        "        temp += x[k][j][i]\n",
        "      ans += (temp-magicnum)**2\n",
        "  return ans\n",
        "\n",
        "def sumheight(x):\n",
        "  ans = 0\n",
        "  for i in range(n):\n",
        "    for j in range(n):\n",
        "      temp = 0\n",
        "      for k in range(n):\n",
        "        temp += x[i][j][k]\n",
        "      ans += (temp-magicnum)**2\n",
        "  return ans\n",
        "\n",
        "def sumdiag3(x):\n",
        "  ans = 0\n",
        "  temp = 0\n",
        "  for i in range(n):\n",
        "    temp += x[i][i][i]\n",
        "  ans += (temp-magicnum)**2\n",
        "  temp = 0\n",
        "  for i in range(n):\n",
        "    temp += x[i][i][n-i-1]\n",
        "  ans += (temp-magicnum)**2\n",
        "  temp = 0\n",
        "  for i in range(n):\n",
        "    temp += x[i][n-i-1][i]\n",
        "  ans += (temp-magicnum)**2\n",
        "  temp = 0\n",
        "  for i in range(n):\n",
        "    temp += x[n-i-1][i][i]\n",
        "  ans += (temp-magicnum)**2\n",
        "  return ans\n",
        "\n",
        "def sumdiag2(x):\n",
        "  ans = 0\n",
        "  for i in range(n):\n",
        "    temp = 0\n",
        "    for j in range(n):\n",
        "      temp += x[i][j][j]\n",
        "    ans += (temp-magicnum)**2\n",
        "    temp = 0\n",
        "    for j in range(n):\n",
        "      temp += x[i][j][n-j-1]\n",
        "    ans += (temp-magicnum)**2\n",
        "  for i in range(n):\n",
        "    temp = 0\n",
        "    for j in range(n):\n",
        "      temp += x[j][i][j]\n",
        "    ans += (temp-magicnum)**2\n",
        "    temp = 0\n",
        "    for j in range(n):\n",
        "      temp += x[j][i][n-j-1]\n",
        "    ans += (temp-magicnum)**2\n",
        "  for i in range(n):\n",
        "    temp = 0\n",
        "    for j in range(n):\n",
        "      temp += x[j][j][i]\n",
        "    ans += (temp-magicnum)**2\n",
        "    temp = 0\n",
        "    for j in range(n):\n",
        "      temp += x[n-j-1][j][i]\n",
        "    ans += (temp-magicnum)**2\n",
        "  return ans\n",
        "\n",
        "def score(arr):\n",
        "  return sumcol(arr) + sumrow(arr) + sumheight(arr) + sumdiag3(arr) + sumdiag2(arr)"
      ]
    },
    {
      "cell_type": "code",
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        "id": "dQmWuUrL9_1i"
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      "source": [
        "def makecell(x): #Find the coordinate of x inside the cube\n",
        "  return x//(n**2), (x%(n**2))//n, x%n\n",
        "\n",
        "def swap(x,y,arr):\n",
        "  a, b, c = makecell(x)\n",
        "  d, e, f = makecell(y)\n",
        "  ret = copy.deepcopy(arr)\n",
        "  temp = ret[a][b][c]\n",
        "  ret[a][b][c] = ret[d][e][f]\n",
        "  ret[d][e][f] = temp\n",
        "  return ret\n",
        "\n",
        "def generate_neighbor(x):\n",
        "  a = randint(0,n**3-1)\n",
        "  b = randint(0,n**3-1)\n",
        "  return swap(a,b,x)"
      ]
    },
    {
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          "base_uri": "https://localhost:8080/"
        },
        "id": "H3aYH_Ys9OTf",
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      },
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              "622858"
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          "metadata": {},
          "output_type": "execute_result"
        }
      ],
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        "a = makecube()\n",
        "score(a)"
      ]
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        "id": "uiBFbqDL1szX"
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        "# Hill Climbing"
      ]
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        "colab": {
          "base_uri": "https://localhost:8080/"
        },
        "id": "CNvf3Cl3N_vI",
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        {
          "name": "stdout",
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            "510586\n",
            "429846\n",
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            "239717\n",
            "221132\n",
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            "136412\n",
            "118512\n",
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            "90061\n",
            "81549\n",
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            "70272\n",
            "65699\n",
            "61539\n",
            "57723\n",
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            "50723\n",
            "47676\n",
            "44548\n",
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            "38366\n",
            "36200\n",
            "34080\n",
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            "24991\n",
            "23487\n",
            "21854\n",
            "20825\n",
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            "14396\n",
            "13788\n",
            "13057\n",
            "12350\n",
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            "10034\n",
            "9495\n",
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            "5346\n",
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            "4489\n",
            "4321\n",
            "4117\n",
            "3973\n",
            "3829\n",
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            "3456\n",
            "3336\n",
            "3228\n",
            "3144\n",
            "3052\n",
            "2968\n",
            "2875\n",
            "2771\n",
            "2666\n",
            "2562\n",
            "2470\n",
            "2389\n",
            "2309\n",
            "2229\n",
            "2119\n",
            "2055\n",
            "1995\n",
            "1935\n",
            "1879\n",
            "1823\n",
            "1767\n",
            "1732\n",
            "1692\n",
            "1652\n",
            "1604\n",
            "1572\n",
            "1538\n",
            "1508\n",
            "1475\n",
            "1439\n",
            "1410\n",
            "1382\n",
            "1354\n",
            "1327\n",
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            "1101\n",
            "1065\n",
            "1042\n",
            "1018\n",
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            "980\n",
            "964\n",
            "944\n",
            "924\n",
            "908\n",
            "888\n",
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            "818\n",
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            "698\n",
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            "404\n",
            "400\n",
            "397\n",
            "394\n",
            "392\n",
            "388\n",
            "384\n",
            "380\n",
            "376\n",
            "373\n",
            "369\n",
            "367\n",
            "366\n",
            "363\n",
            "361\n",
            "360\n",
            "358\n",
            "357\n",
            "357\n",
            "Cube =  [[[109, 4, 83, 57, 63], [30, 37, 105, 113, 28], [46, 91, 19, 69, 90], [115, 104, 6, 51, 40], [15, 78, 103, 25, 95]], [[33, 48, 124, 66, 45], [21, 92, 10, 72, 117], [98, 35, 86, 1, 96], [87, 39, 88, 75, 26], [76, 100, 7, 102, 29]], [[54, 43, 2, 122, 94], [55, 112, 77, 12, 60], [61, 80, 62, 108, 5], [18, 17, 110, 50, 121], [125, 64, 65, 24, 36]], [[52, 118, 93, 47, 3], [89, 16, 49, 84, 79], [38, 97, 107, 59, 11], [82, 73, 42, 20, 99], [53, 9, 23, 106, 123]], [[68, 101, 13, 22, 111], [120, 56, 74, 34, 32], [70, 8, 41, 81, 114], [14, 85, 71, 119, 27], [44, 67, 116, 58, 31]]]\n",
            "Iteration =  215\n",
            "Score =  357\n",
            "Time =  600.2099123001099  s\n"
          ]
        }
      ],
      "source": [
        "def SteepestHC(x):\n",
        "  tempCube = copy.deepcopy(x)\n",
        "  mins = score(x)\n",
        "  swapped_idx = [-1,-1]\n",
        "  for i in range(n**3):\n",
        "    for j in range(i+1, n**3):\n",
        "      tempCube = swap(i,j,tempCube)\n",
        "      tempScore = score(tempCube)\n",
        "      if tempScore < mins:\n",
        "        mins = tempScore\n",
        "        swapped_idx[0] = i\n",
        "        swapped_idx[1] = j\n",
        "      tempCube = copy.deepcopy(x)\n",
        "  return mins, swapped_idx\n",
        "\n",
        "\n",
        "def SidewaysHC(x):\n",
        "  tempCube = copy.deepcopy(x)\n",
        "  mins = score(x)\n",
        "  swapped_idx = [-1,-1]\n",
        "  for i in range(n**3):\n",
        "    for j in range(i+1, n**3):\n",
        "      tempCube = swap(i,j,tempCube)\n",
        "      tempScore = score(tempCube)\n",
        "      if tempScore <= mins:\n",
        "        mins = tempScore\n",
        "        swapped_idx[0] = i\n",
        "        swapped_idx[1] = j\n",
        "      tempCube = copy.deepcopy(x)\n",
        "  return mins, swapped_idx\n",
        "\n",
        "def randomHC(x):\n",
        "\n",
        "  return mins, swapped_idx\n",
        "\n",
        "def stochasticHC(x):\n",
        "\n",
        "  return mins, swapped_idx\n",
        "\n",
        "\n",
        "cube = makecube()\n",
        "itr = 0\n",
        "curr_score = score(cube)\n",
        "min_neighbor_score = curr_score - 1\n",
        "\n",
        "\n",
        "start = time.time()\n",
        "\n",
        "while curr_score > min_neighbor_score:\n",
        "  curr_score = score(cube)\n",
        "  min_neighbor_score, swapped_idx = SteepestHC(cube)\n",
        "  print(min_neighbor_score)\n",
        "  if(curr_score > min_neighbor_score):\n",
        "    cube = swap(swapped_idx[0], swapped_idx[1], cube)\n",
        "    itr += 1\n",
        "\n",
        "end = time.time()\n",
        "\n",
        "print(\"Cube = \", cube)\n",
        "print(\"Iteration = \", itr)\n",
        "print(\"Score = \", score(cube))\n",
        "print(\"Time = \", end-start,\" s\")"
      ]
    },
    {
      "cell_type": "markdown",
      "metadata": {
        "id": "3st34S1f6cN_"
      },
      "source": [
        "# Simulated Annealing"
      ]
    },
    {
      "cell_type": "code",
      "execution_count": null,
      "metadata": {
        "id": "Z6Lg5ujs9ulp"
      },
      "outputs": [],
      "source": [
        "init_temp = 1000\n",
        "alpha = 0.99999"
      ]
    },
    {
      "cell_type": "code",
      "execution_count": null,
      "metadata": {
        "colab": {
          "base_uri": "https://localhost:8080/"
        },
        "id": "5WyKdCxw8tZP",
        "outputId": "5147c03d-23e2-4b3e-f530-6540cb7e93ba"
      },
      "outputs": [
        {
          "name": "stdout",
          "output_type": "stream",
          "text": [
            "\u001b[1;30;43mStreaming output truncated to the last 5000 lines.\u001b[0m\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
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            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "67\n",
            "Cube =  [[[39, 52, 26, 102, 96], [20, 93, 83, 87, 32], [49, 94, 37, 15, 120], [112, 1, 105, 88, 8], [95, 75, 65, 22, 58]], [[19, 85, 24, 62, 124], [123, 57, 81, 44, 10], [125, 91, 73, 21, 5], [41, 67, 17, 90, 101], [6, 14, 121, 98, 76]], [[82, 61, 103, 42, 27], [16, 111, 71, 9, 107], [86, 7, 63, 92, 66], [18, 104, 28, 55, 110], [113, 31, 50, 118, 4]], [[122, 2, 64, 74, 54], [40, 51, 70, 78, 77], [43, 100, 25, 68, 79], [38, 84, 109, 48, 36], [72, 80, 46, 47, 69]], [[53, 114, 99, 35, 13], [116, 3, 11, 97, 89], [12, 23, 117, 119, 45], [106, 59, 56, 34, 60], [29, 115, 33, 30, 108]]]\n",
            "Iteration =  1611802\n",
            "Score =  67\n",
            "Time =  463.91311049461365 s\n"
          ]
        }
      ],
      "source": [
        "def T(t):\n",
        "  return init_temp*(alpha**t)\n",
        "\n",
        "cube = makecube()\n",
        "itr = 0\n",
        "curr_score = score(cube)\n",
        "\n",
        "start = time.time()\n",
        "\n",
        "while(T(itr) > 10e-5):\n",
        "  tempCube = generate_neighbor(cube)\n",
        "  tempScore = score(tempCube)\n",
        "  if tempScore < curr_score:\n",
        "    cube = copy.deepcopy(tempCube)\n",
        "    curr_score = tempScore\n",
        "    print(curr_score)\n",
        "  else:\n",
        "    if np.random.random() < np.exp((curr_score-tempScore)/T(itr)):\n",
        "      cube = copy.deepcopy(tempCube)\n",
        "      curr_score = tempScore\n",
        "      print(curr_score)\n",
        "  itr += 1\n",
        "\n",
        "end = time.time()\n",
        "\n",
        "print(\"Cube = \", cube)\n",
        "print(\"Iteration = \", itr)\n",
        "print(\"Score = \", score(cube))\n",
        "print(\"Time = \", end-start,\"s\")"
      ]
    },
    {
      "cell_type": "markdown",
      "metadata": {
        "id": "OFZSk6MN6ebG"
      },
      "source": [
        "# Genetic Algorithm"
      ]
    },
    {
      "cell_type": "code",
      "execution_count": null,
      "metadata": {
        "id": "thZAO4kCTjOo"
      },
      "outputs": [],
      "source": [
        "n_gen = 2**11\n",
        "p = 0.0001\n",
        "itr = 300"
      ]
    },
    {
      "cell_type": "code",
      "execution_count": null,
      "metadata": {
        "id": "vY2MU1pssCR-"
      },
      "outputs": [],
      "source": [
        "arr = [i for i in range(n**3)]\n",
        "ind = 0\n",
        "cb = [[[0 for i in range(n)] for j in range(n)] for k in range(n)]\n",
        "for i in range(n):\n",
        "  for j in range(n):\n",
        "    for k in range(n):\n",
        "      cb[i][j][k] = arr[ind]+1\n",
        "      ind += 1\n",
        "mx = score(cb)"
      ]
    },
    {
      "cell_type": "code",
      "execution_count": null,
      "metadata": {
        "id": "KusJPhLOD7xp"
      },
      "outputs": [],
      "source": [
        "def binary_search(p, arr, hi, lo):\n",
        "  if hi < lo:\n",
        "    return hi\n",
        "  mid = (hi+lo)//2\n",
        "  if p < arr[mid]:\n",
        "    return binary_search(p, arr, mid, lo)\n",
        "  elif p >= arr[mid]:\n",
        "    if p < arr[mid+1]:\n",
        "      return mid\n",
        "    else:\n",
        "      return binary_search(p, arr, hi, mid+1)\n",
        "\n",
        "def findmax(arr):\n",
        "  mx = score(arr[0])\n",
        "  idx = 0\n",
        "  for i in range(len(arr)):\n",
        "    if score(arr[i]) > mx:\n",
        "      mx = score(arr[i])\n",
        "  return mx\n",
        "\n",
        "def selection(arr):\n",
        "  total_score = 0\n",
        "  partition = [0]\n",
        "  new_gen = []\n",
        "  mx = findmax(arr)\n",
        "  for i in range(len(arr)):\n",
        "    total_score += (mx - score(arr[i]))\n",
        "    partition.append(total_score)\n",
        "  for i in range(n_gen):\n",
        "    p = randint(0,total_score-1)\n",
        "    idx = binary_search(p, partition, len(partition)-1, 0)\n",
        "    new_gen.append(arr[idx])\n",
        "  return new_gen\n",
        "\n",
        "def make3d(arr):\n",
        "  ret = [[[0 for i in range (n)] for j in range(n)] for k in range (n)]\n",
        "  for i in range(len(arr)):\n",
        "    a, b, c = makecell(i)\n",
        "    ret[a][b][c] = arr[i]\n",
        "  return ret\n",
        "\n",
        "def cross(arr1, arr2, flags):\n",
        "  child1 = []\n",
        "  child2 = []\n",
        "  temp1 = []\n",
        "  temp2 = []\n",
        "  ind = 0\n",
        "  for i in range(len(flags)):\n",
        "    a, b, c = makecell(i)\n",
        "    if flags[i] == 1:\n",
        "      child1.append(arr1[a][b][c])\n",
        "      child2.append(arr2[a][b][c])\n",
        "    else:\n",
        "      temp1.append(arr1[a][b][c])\n",
        "      temp2.append(arr2[a][b][c])\n",
        "      child1.append(temp2[ind])\n",
        "      child2.append(temp1[ind])\n",
        "      ind += 1\n",
        "  child1 = make3d(child1)\n",
        "  child2 = make3d(child2)\n",
        "  return child1, child2\n",
        "\n",
        "\n",
        "def crossover(arr):\n",
        "  new_gen = []\n",
        "  for i in range(0,len(arr),2):\n",
        "    flag = [0 for k in range(n**3)]\n",
        "    for j in range(n**3):\n",
        "      if np.random.random() > 0.5:\n",
        "        flag[j] = 1\n",
        "    child1, child2 = cross(arr[i], arr[i+1], flag)\n",
        "    new_gen.append(child1)\n",
        "    new_gen.append(child2)\n",
        "  return new_gen\n",
        "\n",
        "def mutation(arr):\n",
        "  for i in range(len(arr)):\n",
        "    if np.random.random() < p:\n",
        "      a = randint(0,n**3-1)\n",
        "      b = randint(0,n**3-1)\n",
        "      arr[i] = swap(a,b,arr[i])"
      ]
    },
    {
      "cell_type": "code",
      "execution_count": null,
      "metadata": {
        "colab": {
          "background_save": true,
          "base_uri": "https://localhost:8080/"
        },
        "id": "Q-SMrux1c_Qi",
        "outputId": "a7229f62-d00b-498b-e0f9-9e0d87f6cb61"
      },
      "outputs": [
        {
          "name": "stdout",
          "output_type": "stream",
          "text": [
            "0\n",
            "1\n",
            "2\n",
            "3\n",
            "4\n",
            "5\n",
            "6\n",
            "7\n",
            "8\n",
            "9\n",
            "10\n",
            "11\n",
            "12\n",
            "13\n",
            "14\n",
            "15\n",
            "16\n",
            "17\n",
            "18\n",
            "19\n",
            "20\n",
            "21\n",
            "22\n",
            "23\n",
            "24\n",
            "25\n",
            "26\n",
            "27\n",
            "28\n",
            "29\n",
            "30\n",
            "31\n",
            "32\n",
            "33\n",
            "34\n",
            "35\n",
            "36\n",
            "37\n",
            "38\n",
            "39\n",
            "40\n",
            "41\n",
            "42\n",
            "43\n",
            "44\n",
            "45\n",
            "46\n",
            "47\n",
            "48\n",
            "49\n",
            "50\n",
            "51\n",
            "52\n",
            "53\n",
            "54\n",
            "55\n",
            "56\n",
            "57\n",
            "58\n",
            "59\n",
            "60\n",
            "61\n",
            "62\n",
            "63\n",
            "64\n",
            "65\n",
            "66\n",
            "67\n",
            "68\n",
            "69\n",
            "70\n",
            "71\n",
            "72\n",
            "73\n",
            "74\n",
            "75\n",
            "76\n",
            "77\n",
            "78\n",
            "79\n",
            "80\n",
            "81\n",
            "82\n",
            "83\n",
            "84\n",
            "85\n",
            "86\n",
            "87\n",
            "88\n",
            "89\n",
            "90\n",
            "91\n",
            "92\n",
            "93\n",
            "94\n",
            "95\n",
            "96\n",
            "97\n",
            "98\n",
            "99\n",
            "100\n",
            "101\n",
            "102\n",
            "103\n",
            "104\n",
            "105\n",
            "106\n",
            "107\n",
            "108\n",
            "109\n",
            "110\n",
            "111\n",
            "112\n",
            "113\n",
            "114\n",
            "115\n",
            "116\n",
            "117\n",
            "118\n",
            "119\n",
            "120\n",
            "121\n",
            "122\n",
            "123\n",
            "124\n",
            "125\n",
            "126\n",
            "127\n",
            "128\n",
            "129\n",
            "130\n",
            "131\n",
            "132\n",
            "133\n",
            "134\n",
            "135\n",
            "136\n",
            "137\n",
            "138\n",
            "139\n",
            "140\n",
            "141\n",
            "142\n",
            "143\n",
            "144\n",
            "145\n",
            "146\n",
            "147\n",
            "148\n",
            "149\n",
            "150\n",
            "151\n",
            "152\n",
            "153\n",
            "154\n",
            "155\n",
            "156\n",
            "157\n",
            "158\n",
            "159\n",
            "160\n",
            "161\n",
            "162\n",
            "163\n",
            "164\n",
            "165\n",
            "166\n",
            "167\n",
            "168\n",
            "169\n",
            "170\n",
            "171\n",
            "172\n",
            "173\n",
            "174\n",
            "175\n",
            "176\n",
            "177\n",
            "178\n",
            "179\n",
            "180\n",
            "181\n",
            "182\n",
            "183\n",
            "184\n",
            "185\n",
            "186\n",
            "187\n",
            "188\n",
            "189\n",
            "190\n",
            "191\n",
            "192\n",
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            "195\n",
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            "197\n",
            "198\n",
            "199\n",
            "200\n",
            "201\n",
            "202\n",
            "203\n",
            "204\n",
            "205\n",
            "206\n",
            "207\n",
            "208\n",
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            "297\n",
            "298\n",
            "299\n",
            "Cube =  [[[56, 66, 68, 60, 69], [50, 66, 72, 68, 61], [69, 70, 58, 64, 51], [83, 56, 43, 67, 62], [57, 56, 75, 56, 70]], [[67, 53, 67, 63, 65], [69, 69, 48, 59, 62], [56, 58, 68, 68, 74], [67, 68, 57, 57, 65], [55, 71, 76, 66, 51]], [[72, 71, 70, 49, 49], [61, 48, 66, 74, 63], [64, 57, 63, 76, 57], [46, 64, 67, 60, 79], [71, 69, 53, 59, 65]], [[64, 57, 51, 71, 71], [74, 68, 60, 60, 54], [58, 63, 65, 66, 65], [63, 62, 84, 50, 56], [61, 59, 58, 67, 67]], [[56, 71, 59, 70, 66], [60, 56, 73, 58, 72], [70, 66, 65, 48, 66], [63, 61, 64, 74, 49], [66, 62, 56, 67, 68]]]\n",
            "Iteration =  300\n",
            "Score =  1455\n",
            "Time =  403.6585991382599 s\n"
          ]
        }
      ],
      "source": [
        "gen = [makecube() for i in range(n_gen)]\n",
        "\n",
        "start = time.time()\n",
        "\n",
        "for i in range(itr):\n",
        "  gen = selection(gen)\n",
        "  gen = crossover(gen)\n",
        "  mutation(gen)\n",
        "  print(i)\n",
        "\n",
        "mins = score(gen[0])\n",
        "idx = 0\n",
        "for i in range(len(gen)):\n",
        "  if score(gen[i]) < mins:\n",
        "    mins = score(gen[i])\n",
        "    idx = i\n",
        "\n",
        "end = time.time()\n",
        "\n",
        "print(\"Cube = \", gen[idx])\n",
        "print(\"Iteration = \", itr)\n",
        "print(\"Score = \", mins)\n",
        "print(\"Time = \", end-start,\"s\")"
      ]
    },
    {
      "cell_type": "code",
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      },
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            "297350\n",
            "281135\n",
            "257938\n",
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            "316982\n",
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            "266109\n",
            "297698\n",
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            "260433\n",
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            "341207\n",
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            "365129\n",
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            "285062\n",
            "253945\n",
            "369044\n",
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            "354602\n",
            "295380\n",
            "338081\n",
            "288606\n",
            "247230\n",
            "283829\n",
            "356443\n",
            "262786\n",
            "230696\n",
            "364511\n",
            "252711\n",
            "331165\n",
            "296864\n",
            "188842\n",
            "244593\n",
            "168054\n",
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            "292842\n",
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            "A 693459 693459\n",
            "B 693459 693459\n",
            "C 693459 693459\n",
            "54\n",
            "A 693459 693459\n",
            "B 693459 693459\n",
            "C 693459 693459\n",
            "55\n",
            "A 693459 693459\n",
            "B 693459 693459\n",
            "C 693459 693459\n",
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            "B 693459 693459\n",
            "C 693459 693459\n",
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            "C 693459 693459\n",
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            "C 693459 693459\n",
            "62\n",
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            "A 693459 693459\n",
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            "C 693459 693459\n",
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            "82\n",
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            "84\n",
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            "C 693459 693459\n",
            "85\n",
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            "C 693459 693459\n",
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            "C 693459 693459\n",
            "96\n",
            "A 693459 693459\n",
            "B 693459 693459\n",
            "C 693459 693459\n",
            "97\n",
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            "C 693459 693459\n",
            "98\n",
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            "C 693459 693459\n",
            "99\n"
          ]
        }
      ],
      "source": [
        "gen = [makecube() for i in range(n_gen)]\n",
        "\n",
        "start = time.time()\n",
        "\n",
        "for i in range(itr):\n",
        "  gen = selection(gen)\n",
        "  print(\"A\", score(gen[0]), score(gen[1]))\n",
        "  gen = crossover(gen)\n",
        "  print(\"B\", score(gen[0]), score(gen[1]))\n",
        "  mutation(gen)\n",
        "  print(\"C\", score(gen[0]), score(gen[1]))\n",
        "  print(i)\n",
        "\n",
        "end = time.time()"
      ]
    },
    {
      "cell_type": "code",
      "execution_count": null,
      "metadata": {
        "colab": {
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        },
        "id": "EfYu_OjJ31Hb",
        "outputId": "cf806617-67d3-4663-a23e-5f593a9f6f92"
      },
      "outputs": [
        {
          "name": "stdout",
          "output_type": "stream",
          "text": [
            "[[[72, 39, 10, 51, 31], [110, 67, 69, 38, 114], [21, 64, 83, 89, 96], [107, 79, 4, 108, 63], [41, 123, 98, 13, 37]], [[106, 11, 95, 35, 46], [8, 119, 80, 45, 84], [57, 116, 42, 62, 118], [87, 81, 122, 111, 36], [5, 74, 121, 32, 18]], [[6, 54, 100, 3, 125], [76, 86, 113, 44, 1], [66, 60, 65, 68, 56], [58, 55, 9, 88, 22], [120, 25, 15, 23, 71]], [[14, 53, 43, 93, 12], [7, 91, 16, 73, 94], [75, 47, 59, 115, 24], [19, 99, 117, 109, 70], [97, 85, 103, 34, 33]], [[101, 52, 104, 78, 30], [92, 48, 112, 50, 105], [77, 2, 26, 40, 124], [20, 29, 82, 49, 17], [28, 90, 102, 61, 27]]]\n",
            "[[[121, 34, 117, 9, 41], [72, 93, 7, 64, 11], [43, 40, 51, 6, 83], [59, 91, 112, 13, 94], [110, 84, 97, 95, 55]], [[74, 101, 75, 71, 86], [21, 29, 76, 90, 99], [88, 44, 63, 1, 89], [31, 120, 22, 58, 61], [105, 28, 53, 65, 32]], [[118, 119, 123, 77, 45], [10, 113, 12, 80, 38], [23, 52, 96, 122, 19], [36, 39, 60, 107, 48], [103, 16, 78, 73, 14]], [[109, 115, 68, 35, 111], [82, 3, 37, 47, 102], [17, 79, 8, 70, 69], [46, 57, 98, 33, 81], [24, 87, 125, 26, 92]], [[50, 116, 5, 15, 100], [42, 104, 56, 114, 124], [4, 108, 25, 27, 67], [54, 2, 30, 85, 62], [106, 49, 20, 18, 66]]]\n",
            "[[[121, 34, 117, 9, 41], [72, 93, 7, 64, 11], [43, 40, 51, 6, 83], [59, 91, 112, 13, 94], [110, 84, 97, 95, 55]], [[74, 101, 75, 71, 86], [21, 29, 76, 90, 99], [88, 44, 63, 1, 89], [31, 120, 22, 58, 61], [105, 28, 53, 65, 32]], [[118, 119, 123, 77, 45], [10, 113, 12, 80, 38], [23, 52, 96, 122, 19], [36, 39, 60, 107, 48], [103, 16, 78, 73, 14]], [[109, 115, 68, 35, 111], [82, 3, 37, 47, 102], [17, 79, 8, 70, 69], [46, 57, 98, 33, 81], [24, 87, 125, 26, 92]], [[50, 116, 5, 15, 100], [42, 104, 56, 114, 124], [4, 108, 25, 27, 67], [54, 2, 30, 85, 62], [106, 49, 20, 18, 66]]]\n",
            "[[[121, 34, 117, 9, 41], [72, 93, 7, 64, 11], [43, 40, 51, 6, 83], [59, 91, 112, 13, 94], [110, 84, 97, 95, 55]], [[74, 101, 75, 71, 86], [21, 29, 76, 90, 99], [88, 44, 63, 1, 89], [31, 120, 22, 58, 61], [105, 28, 53, 65, 32]], [[118, 119, 123, 77, 45], [10, 113, 12, 80, 38], [23, 52, 96, 122, 19], [36, 39, 60, 107, 48], [103, 16, 78, 73, 14]], [[109, 115, 68, 35, 111], [82, 3, 37, 47, 102], [17, 79, 8, 70, 69], [46, 57, 98, 33, 81], [24, 87, 125, 26, 92]], [[50, 116, 5, 15, 100], [42, 104, 56, 114, 124], [4, 108, 25, 27, 67], [54, 2, 30, 85, 62], [106, 49, 20, 18, 66]]]\n",
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