Problem:
ブロックの三角形

図a のように積まれたブロックに対し、以下の並べ替え操作を繰り返す。

一番下のブロック全て（図a 中の白のブロック）を右端に新しく積み上げる（残りのブロックは自動的に１段下に落ち、図b のようになる）。

ブロックの間に隙間ができたら、左に詰めて隙間をなくす（図 b から図c のようになる）。

1 以上の整数 k に対して、k×(k＋1)/2 で表される数 (例:1, 3, 6, 10, ...)を三角数という。ブロックの総数が三角数の場合、上記の並べ替えを繰り返すと、左端の高さが1 で右に向かって１つずつ高くなっていくような三角形になると予想されている（図d は総数が15 個の場合）。

ブロックの最初の並びが与えられたとき、あらかじめ決められた回数以下の操作で、上で説明したようなブロックの三角形ができるとき、三角形が得られるまでの最小の操作回数を出力するプログラムを作成してください。

入力

入力は複数のデータセットからなる。入力の終わりはゼロ１つの行で示される。各データセットは以下の形式で与えられる。

N
b1 b2 ... bN

各データセットは２行であり、ブロックの最初の並びを表す。N (1 ≤ N ≤ 100)は、一番下の段にあるブロックの数を示す。bi(1 ≤ bi ≤ 10000) は左から i 番目の位置に積まれているブロックの数を示す。bi と bi+1 は１つの空白で区切られている。ブロックの総数は 3 以上である。

データセットの数は 20 を超えない。

出力

データセットごとに、三角形ができるまでに行った並べ替え操作の回数を１行に出力する。ただし、三角形が作れない場合や、操作回数が 10000 回を超える場合は -1 を出力する。

入力例

6
1 4 1 3 2 4
5
1 2 3 4 5
10
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
9
1 1 1 1 1 1 1 1 1
12
1 4 1 3 2 4 3 3 2 1 2 2
1
5050
3
10000 10000 100
0

出力例

24
0
10
-1
48
5049
-1

最初のデータセットが、図に示した場合に対応する。

４つ目のデータセットが、ブロックの総数が三角数でないため、三角形が作れない場合に対応する。

最後のデータセットが、ブロックの総数は三角数だが、操作回数が 10000 回を超える場合に対応する。

Solution in Scala (judge verdict: Accepted)

//import java.util.Scanner

import scala.collection.Searching._
import scala.annotation.tailrec
import scala.collection.mutable
import scala.collection.immutable._
import scala.io.StdIn.readLine

import java.io._
import java.nio.file.{Files, Path}
import java.util.StringTokenizer
import java.util.Calendar

import scala.io.Codec

/**
  * Scala implementation of a faster java.util.Scanner
  * See: http://codeforces.com/blog/entry/7018
  */

class Scanner(reader: LineNumberReader) extends Iterable[String] with AutoCloseable {
  def this(reader: BufferedReader) = this(new LineNumberReader(reader))

  def this(reader: Reader) = this(new BufferedReader(reader))

  def this(inputStream: InputStream)(implicit codec: Codec) = this(new InputStreamReader(inputStream, codec.charSet))

  def this(path: Path)(implicit codec: Codec) = this(Files.newBufferedReader(path, codec.charSet))

  def this(file: File)(implicit codec: Codec) = this(file.toPath)(codec)

  def this(str: String) = this(new StringReader(str))

  override def iterator = for {
    line <- Iterator.continually(reader.readLine()).takeWhile(_ != null)
    tokenizer = new StringTokenizer(line)
    tokens <- Iterator.continually(tokenizer).takeWhile(_.hasMoreTokens)
  } yield tokens.nextToken()

  private[this] var current = iterator

  def hasNext = current.hasNext

  @inline def next() = current.next()

  /**
    * This is different from Java's scanner.nextLine
    * The Java one is a misnomer since it actually travel to end of current line
    * This one actually does fetch the next line
    */
  def nextLine(): String = {
    val line = reader.readLine()
    current = iterator
    line
  }

  def lineNumber: Int = reader.getLineNumber

  def nextString(): String = next()

  def nextBoolean(): Boolean = next().toBoolean

  def nextByte(radix: Int = 10): Byte = java.lang.Byte.parseByte(next(), radix)

  def nextShort(radix: Int = 10): Short = java.lang.Short.parseShort(next(), radix)

  def nextInt(radix: Int = 10): Int = java.lang.Integer.parseInt(next(), radix)

  def nextLong(radix: Int = 10): Long = java.lang.Long.parseLong(next(), radix)

  def nextBigInt(radix: Int = 10): BigInt = BigInt(next(), radix)

  def nextFloat(): Float = next().toFloat

  def nextDouble(): Double = next().toDouble

  def nextBigDecimal(): BigDecimal = BigDecimal(next())

  override def close() = reader.close()
}


class IUnionFind(val size: Int) {

  private case class Node(var parent: Option[Int], var treeSize: Int)

  private val nodes = Array.fill[Node](size)(new Node(None, 1))

  def union(t1: Int, t2: Int): IUnionFind = {
    if (t1 == t2) return this

    val root1 = root(t1)
    val root2 = root(t2)
    if (root1 == root2) return this

    val node1 = nodes(root1)
    val node2 = nodes(root2)

    if (node1.treeSize < node2.treeSize) {
      node1.parent = Some(t2)
      node2.treeSize += node1.treeSize
    } else {
      node2.parent = Some(t1)
      node1.treeSize += node2.treeSize
    }
    this
  }

  def connected(t1: Int, t2: Int): Boolean = t1 == t2 || root(t1) == root(t2)

  def root(t: Int): Int = nodes(t).parent match {
    case None => t
    case Some(p) => {
      nodes(t).parent = Some(root(p))
      nodes(t).parent.get
    }
  }
}

object Main {
  def solve(sc: => Scanner): Unit = {
    val A = Array.fill(sc.nextInt())(sc.nextLong())
    if (A.size != 0) {
      println(recursive(A, 0))
      solve(sc)
    }
  }

  def getPermutation(begin: Long = 0): Stream[Long] =
    Stream.cons(begin, getPermutation(begin + 1))

  def calc(N: Long, R: Long, M: Long): Double = {
    math.sqrt(R * R - (R * 2 * ((M * 1.0 / N) - 0.5)) * (R * 2 * ((M * 1.0 / N) - 0.5))) * 2
  }

  def recursive(A: Array[Long], N: Long): Long = {
    if (N > 10000) (-1)
    else if (A.zipWithIndex.filter(x => (x._1 - x._2) != 1).size == 0) (N)
    else {
      (recursive(A.map(i => i - 1).filter(i => i != 0) :+ A.size.toLong, N + 1))
    }
  }

  def check(s: String): Boolean = {
    if (s == "0") (true) else (s(0) != '0' && 0 <= s.toInt && s.toInt <= 255)
  }

  def shift(n: Long): Long = {
    if (n == 0) (0) else if (n == 1) (1) else (shift(n - 1) << 1)
  }

  def unShift(n: Long): Long = {
    if (n == 0) (0) else (unShift(n >> 1) + 1)
  }

  def gcd(i: Long, j: Long): Long = {
    if (i < j) (gcd(j, i)) else (if (j == 0) (i) else (gcd(j, i % j)))
  }

  def main(args: Array[String]): Unit = {
    val sc: Scanner = new Scanner(System.in)
    solve(sc)
  }
}

object Util {
  def getPermutation(begin: Long = 0): Stream[Long] =
    Stream.cons(begin, getPermutation(begin + 1))

  def getPrimeList(): Stream[Long] =
    getPrimeListRecursive(getPermutation(begin = 2))

  private def getPrimeListRecursive(A: Stream[Long]): Stream[Long] =
    Stream.cons(A.head, getPrimeListRecursive(A.tail.filter(_ % A.head != 0)))

  def fib(a: Long = 0, b: Long = 1, mod: Long = Long.MaxValue): Stream[Long] = a #:: fib(b % mod, (a + b) % mod, mod)
}

object ArabicRoman {

  type =?>[A, B] = PartialFunction[A, B]

  val codeTable = List(
    (1000, "M"), (900, "CM"), (500, "D"), (400, "CD"), (100, "C"),
    (90, "XC"), (50, "L"), (40, "XL"), (10, "X"), (9, "IX"), (5, "V"), (4, "IV"), (1, "I"))

  val arabicToRoman: (Int) =?> String = {
    case src if (src >= 1 && src <= 3999) => {

      def convert(left: Int, cont: String = "", code: List[(Int, String)] = codeTable): String = {
        val (unitVal, unitChar) = code.head
        left - unitVal match {
          case n if (n == 0) => cont + unitChar
          case n if (n > 0) => convert(n, cont + unitChar, code)
          case _ => convert(left, cont, code.tail)
        }
      }

      convert(src)
    }
  }

  val romanToArabic: (String) =?> Int = {
    case src if (Option(src).exists { s => {
      s.nonEmpty && ("""[^MDCLXVI]""".r.findFirstMatchIn(s.toUpperCase) == None)
    }
    }) => {

      def convert(left: String, cont: Int = 0, code: List[(Int, String)] = codeTable): Int = {
        val (unitVal, unitChar) = code.head
        left.splitAt(unitChar.length) match {
          case ("", _) => cont
          case (`unitChar`, tail) => convert(tail, cont + unitVal, code)
          case _ => convert(left, cont, code.tail)
        }
      }

      convert(src.toUpperCase())
    }
  }
}