Problem:
チーズ (Cheese)

問題

今年も JOI 町のチーズ工場がチーズの生産を始め，ねずみが巣から顔を出した．JOI 町は東西南北に区画整理されていて，各区画は巣，チーズ工場，障害物，空き地のいずれかである．ねずみは巣から出発して全てのチーズ工場を訪れチーズを 1 個ずつ食べる．

この町には，N 個のチーズ工場があり，どの工場も１種類のチーズだけを生産している．チーズの硬さは工場によって異なっており，硬さ 1 から N までのチーズを生産するチーズ工場がちょうど 1 つずつある．

ねずみの最初の体力は 1 であり，チーズを 1 個食べるごとに体力が 1 増える．ただし，ねずみは自分の体力よりも硬いチーズを食べることはできない．

ねずみは，東西南北に隣り合う区画に 1 分で移動することができるが，障害物の区画には入ることができない．チーズ工場をチーズを食べずに通り過ぎることもできる．すべてのチーズを食べ終えるまでにかかる最短時間を求めるプログラムを書け．ただし，ねずみがチーズを食べるのにかかる時間は無視できる．

入力

入力は H+1 行ある．1 行目には 3 つの整数 H，W，N (1 ≤ H ≤ 1000，1 ≤ W ≤ 1000，1 ≤ N ≤ 9) がこの順に空白で区切られて書かれている．2 行目から H+1 行目までの各行には，'S'，'1', '2', ..., '9'，'X'，'.' からなる W 文字の文字列が書かれており，各々が各区画の状態を表している．北から i 番目，西から j 番目の区画を (i,j) と記述することにすると (1 ≤ i ≤ H, 1 ≤ j ≤ W)，第 i+1 行目の j 番目の文字は，区画 (i,j) が巣である場合は 'S' となり，障害物である場合は 'X' となり，空き地である場合は '.' となり，硬さ 1, 2, ..., 9 のチーズを生産する工場である場合はそれぞれ '1', '2', ..., '9' となる．入力には巣と硬さ 1, 2, ..., N のチーズを生産する工場がそれぞれ 1 つずつある．他のマスは障害物または空き地であることが保証されている．ねずみは全てのチーズを食べられることが保証されている．

出力

すべてのチーズを食べ終えるまでにかかる最短時間（分）を表す整数を 1 行で出力せよ．

入出力例

入力例 1

3 3 1
S..
...
..1

出力例 1

4

入力例 2

4 5 2
.X..1
....X
.XX.S
.2.X.

出力例 2

12

入力例 3

10 10 9
.X...X.S.X
6..5X..X1X
...XXXX..X
X..9X...X.
8.X2X..X3X
...XX.X4..
XX....7X..
X..X..XX..
X...X.XX..
..X.......

出力例 3

91

問題文と自動審判に使われるデータは、情報オリンピック日本委員会が作成し公開している問題文と採点用テストデータです。

Solution in Ruby (judge verdict: Memory Limit Exceeded)

module Graph
	require 'set'
	def add_node(label = nil)
		Node.new(label)
	end

	def add_edge(u, v, label = nil)
		e = Edge.new(u, v, label)
		u.outgoings << e
		v.incomings << e
		e
	end
	
	def del_edge(e)
		u, v = e.from, e.to
		u.outgoings.delete(e)
		v.incomings.delete(e)
		e
	end

	class Node
		def initialize(label)
			@label = label
			@outgoings = Set.new
			@incomings = Set.new
		end

		def to_nodes
			@outgoings.map(&:to)
		end

		def from_nodes
			@incomings.map(&:from)
		end

		def to_s
			@label
		end
		
		attr_accessor :incomings, :outgoings
		attr_reader :label
	end

	class Edge
		def initialize(u, v, label = nil)
			@from = u	
			@to = v
			@label = label
		end
		attr_reader :from, :to, :label
	end

	def get_path_bfs(s, t)
		path_edge = {}
		reached = Set[s]
		queue = [s]
		while !queue.empty? 
			u = queue.shift
			u.outgoings.each{|e|
				v = e.to
				next if reached.include?(v)	
				reached << v
				queue << v
				path_edge[v] = e

				if v == t
					path = []
					while e = path_edge[v]
						path.unshift e
						v = e.from
					end
					return path
				end
			}
		end	
		return nil
	end

	def get_path_dfs(s, t, reached = Set.new)
		reached << s	
		s.outgoings.each{|e|
			v = e.to
			next if reached.include?(v)
			return [e] if v == t
			
			path = get_path_dfs(v, t, reached) 
			return [e] + path if path
		}
		nil
	end

	def layers_from(start)
		reached = Set[*start]
		layers = [start]

		loop {
			layers << []
			layers[-2].each{|u|
				u.to_nodes.each{|v|
					next if reached.include?(v)
					reached << v
					layers[-1] << v
				}
			}	

			if layers[-1].empty?
				layers.pop
				return layers
			end
		}
	end

	def reachable_from(s, reached = Set.new, root = true)
		reached << s	
		s.outgoings.each{|e|
			v = e.to
			next if reached.include?(v)
			reachable_from(v, reached, false) 
		}
		root ? reached : nil
	end

	def dijkstra(s)
		dist = {}
		h = Heap.new
		h.add(s, 0)
		reached = Set[s]
		until h.size == 0
			u, key = h.del_min
			dist[u] = key
			u.outgoings.each{|e|
				v = e.to
				d = dist[u] + e.label
				if reached.include?(v)
					h.update_key(v, d)
				else
					h.add(v, d)
					reached << v
				end
			}
		end
		dist
	end
end

class Heap
	require 'forwardable'
	extend Forwardable

	def initialize
		@array = []
		@index = {}
	end

	def add(obj, key)
		@array << [obj, key]
		@index[obj] = @array.size - 1
		lift_up(@array.size - 1)
	end

	def swap(i, j)
		u = @array[i]
		v = @array[j]
		@index[u[0]], @index[v[0]] = j, i
		@array[i], @array[j] = v, u
	end

	def lift_up(i)
		return if i == 0
		j = (i - 1) / 2
		if @array[i][1] < @array[j][1]
			swap(i, j)
			lift_up(j)
		end
	end

	def del_min
		raise "heap is empty!" if empty?
		min = @array[0]
		if size > 1
			swap(0, @array.size-1)
			@array.pop
			lift_down(0)
		else
			@array.pop
		end
		@index.delete(min[0])
		min
	end

	def inc_key(obj, diff)
		i = @index[obj]
		@array[i][1] += diff
		lift_down(i)
	end

	def dec_key(obj, diff)
		i = @index[obj]
		@array[i][1] -= diff
		lift_up(i)
	end

	def update_key(obj, new_key)
		i = @index[obj]
		return unless i
		return if new_key >= @array[i][1]
		@array[i][1] = new_key
		lift_up(i)
	end

	def min_obj
		@array[0][0]
	end

	def min_key
		@array[0][1]
	end

	def lift_down(i)
		j = 2 * i + 1
		k = j + 1
		if k >= size
			return if j >= size
			if @array[i][1] > @array[j][1]
				swap(i, j)
				lift_down(j)
			end
		else
			l = (@array[j][1] < @array[k][1] ? j : k)
			if @array[i][1] > @array[l][1]
				swap(i, l)
				lift_down(l)
			end
		end
	end

	def_delegators :@array, :empty?, :size
end

include Graph

m, n, k = gets.split.map(&:to_i)

a = (1..m).map { gets.split("") }
a << [nil] * n

nodes = (0..m).map {|i| (0..n).map {|j| add_node([i,j]) } }

points = []
(0..m-1).each{|i|
	(0..n-1).each{|j|
		u = nodes[i][j]
		case a[i][j]
		when ?X
			next
		when ?S
			points[0] = nodes[i][j]
		when /\d/
			points[a[i][j].to_i] = nodes[i][j]
		end
		
		if a[i+1][j] != ?X
			v = nodes[i+1][j]
			add_edge(u, v, 1)
			add_edge(v, u, 1)
		end
		if a[i][j+1] != ?X
			v = nodes[i][j+1]
			add_edge(u, v, 1)
			add_edge(v, u, 1)
		end
	}
}

dist = 0
points.each_cons(2){|s, t|
	dist += dijkstra(s)[t]
}
p dist