Encontre a matriz de pontuação mais alta sem a propriedade X

Esse desafio é parcialmente um desafio de algoritmos, parcialmente um desafio de otimização e parcialmente simplesmente um desafio de código mais rápido.

Uma matriz cíclica é totalmente especificada por sua primeira linha r. As linhas restantes são permutações cíclicas da linha rcom deslocamento igual ao índice da linha. Permitiremos matrizes cíclicas que não são quadradas, para que elas simplesmente estejam faltando algumas de suas últimas linhas. No entanto, sempre assumimos que o número de linhas não passa do número de colunas. Por exemplo, considere a seguinte matriz cíclica 3 por 5.

10111
11011
11101

Dizemos que uma matriz tem propriedade X se contiver dois conjuntos de colunas não vazios com índices não idênticos que tenham a mesma soma (vetor). A soma vetorial de duas colunas é simplesmente um somatório por elementos das duas colunas. Essa é a soma de duas colunas contendo xelementos, cada uma com outra coluna contendo xelementos.

A matriz acima trivialmente possui a propriedade X, pois a primeira e a última coluna são as mesmas. A matriz de identidade nunca tem propriedade X.

Se apenas removermos a última coluna da matriz acima, obteremos um exemplo que não possui a propriedade X e daria uma pontuação de 4/3.

1011
1101
1110

A tarefa

A tarefa é escrever código para encontrar a matriz cíclica de maior pontuação cujas entradas são todas 0 ou 1 e que não possuem a propriedade X.

Ponto

Sua pontuação serão as colunas numéricas divididas pelo número de linhas em sua matriz de melhor pontuação.

Desempate

Se duas respostas tiverem a mesma pontuação, a primeira submetida vence.

No caso (muito) improvável de alguém encontrar um método para obter pontuações ilimitadas, a primeira prova válida de tal solução será aceita. No evento ainda mais improvável em que você possa encontrar uma prova de otimização de uma matriz finita, é claro que também premiaremos a vitória.

Sugestão

Obter uma pontuação de 12/8 não é muito difícil.

Línguas e bibliotecas

Você pode usar qualquer idioma que tenha um compilador / intérprete disponível gratuitamente / etc. para Linux e quaisquer bibliotecas que também estão disponíveis gratuitamente para Linux.

Entradas principais

• 36/19 por Peter Taylor (Java)
• 32/17 por Suboptimus Prime (C #)
• 21/12 por justhalf (Python 2)

16/9 20/11 22/12 28/15 30/16 32/17 34/18 36/19 (Java)

Isso usa várias idéias para reduzir o espaço e o custo da pesquisa. Veja o histórico de revisões para obter mais detalhes sobre versões anteriores do código.

• É claro que o wlog pode considerar apenas matrizes circulantes nas quais a primeira linha é uma palavra de Lyndon : se a palavra não é primo, ela deve ter a propriedade X e, caso contrário, podemos girar sem afetar a pontuação ou a propriedade X.
• Com base nas heurísticas dos vencedores curtos observados, agora estou repetindo as palavras de Lyndon, começando pelas que têm densidade de 50% (ou seja, o mesmo número de 0e 1) e malhando; Utilizo o algoritmo descrito em Código A Gray para colares de densidade fixa e palavras de Lyndon em tempo amortizado constante , Sawada e Williams, Theoretical Computer Science 502 (2013): 46-54.
• Uma observação empírica é que os valores ocorrem em pares: cada palavra ideal de Lyndon que encontrei tem o mesmo valor de sua inversão. Então, eu chego a um fator de duas acelerações considerando apenas metade de cada par.
• Meu código original trabalhou BigIntegerpara fazer um teste exato. Recebo uma melhoria significativa da velocidade, correndo o risco de falsos negativos, operando um módulo grande e mantendo tudo em primitivos. O primo que escolhi é o maior menor que 2 ⁵⁷ , pois permite multiplicar pela base da minha representação vetorial nocional sem transbordar.
• Eu roubei a heurística do Suboptimus Prime de que é possível obter rejeições rápidas considerando subconjuntos em ordem crescente de tamanho. Agora, fundi essa ideia com a abordagem ternária do meet-in-the-middle do subconjunto para testar a colisão de subconjuntos. (Agradecemos a KennyTM por sugerir tentar adaptar a abordagem do problema do subconjunto de números inteiros; acho que xnor e eu vimos a maneira de fazer isso praticamente ao mesmo tempo). Em vez de procurar dois subconjuntos que podem incluir cada coluna 0 ou 1 vezes e ter a mesma soma, procuramos um subconjunto que pode incluir cada coluna -1, 0 ou 1 vezes e soma zero. Isso reduz significativamente os requisitos de memória.
• Há um fator extra de economia de dois requisitos de memória, observando que, como cada elemento {-1,0,1}^mtem sua negação também {-1,0,1}^m, é necessário armazenar apenas um dos dois.
• Também melhoro os requisitos de memória e o desempenho usando uma implementação de hashmap personalizada. Para testar 36/19, é necessário armazenar 3 ^ 18 somas e 3 ^ 18 longs é quase 3 GB sem sobrecarga - dei 6 GB de heap porque 4 GB não era suficiente; ir além (teste 38/20) a 8 GB de RAM exigiria uma otimização adicional para armazenar ints em vez de longos. Com 20 bits necessários para dizer qual subconjunto produz a soma que deixaria 12 bits mais os bits implícitos do bucket; Receio que haja muitas colisões falsas para obter qualquer resultado.
• Como o peso das evidências sugere que devemos olhar 2n/(n+1), estou acelerando as coisas apenas testando isso.
• Há algum resultado estatístico desnecessário, mas tranquilizador.

import java.util.*;

// Aiming to find a solution for (2n, n+1).
public class PPCG41021_QRTernary_FixedDensity {
    private static final int N = 36;
    private static int density;
    private static long start;
    private static long nextProgressReport;

    public static void main(String[] args) {
        start = System.nanoTime();
        nextProgressReport = start + 5 * 60 * 1000000000L;

        // 0, -1, 1, -2, 2, ...
        for (int i = 0; i < N - 1; i++) {
            int off = i >> 1;
            if ((i & 1) == 1) off = ~off;
            density = (N >> 1) + off;

            // Iterate over Lyndon words of length N and given density.
            for (int j = 0; j < N; j++) a[j] = j < N - density ? '0' : '1';
            c = 1;
            Bs[1] = N - density;
            Bt[1] = density;
            gen(N - density, density, 1);
            System.out.println("----");
        }

        System.out.println("Finished in " + (System.nanoTime() - start)/1000000 + " ms");
    }

    private static int c;
    private static int[] Bs = new int[N + 1], Bt = new int[N + 1];
    private static char[] a = new char[N];
    private static void gen(int s, int t, int r) {
        if (s > 0 && t > 0) {
            int j = oracle(s, t, r);
            for (int i = t - 1; i >= j; i--) {
                updateBlock(s, t, i);
                char tmp = a[s - 1]; a[s - 1] = a[s+t-i - 1]; a[s+t-i - 1] = tmp;
                gen(s-1, t-i, testSuffix(r) ? c-1 : r);
                tmp = a[s - 1]; a[s - 1] = a[s+t-i - 1]; a[s+t-i - 1] = tmp;
                restoreBlock(s, t, i);
            }
        }
        visit();
    }

    private static int oracle(int s, int t, int r) {
        int j = pseudoOracle(s, t, r);
        updateBlock(s, t, j);
        int p = testNecklace(testSuffix(r) ? c - 1 : r);
        restoreBlock(s, t, j);
        return p == N ? j : j + 1;
    }

    private static int pseudoOracle(int s, int t, int r) {
        if (s == 1) return t;
        if (c == 1) return s == 2 ? N / 2 : 1;
        if (s - 1 > Bs[r] + 1) return 0;
        if (s - 1 == Bs[r] + 1) return cmpPair(s-1, t, Bs[c-1]+1, Bt[c-1]) <= 0 ? 0 : 1;
        if (s - 1 == Bs[r]) {
            if (s == 2) return Math.max(t - Bt[r], (t+1) >> 1);
            return Math.max(t - Bt[r], (cmpPair(s-1, t, Bs[c-1] + 1, Bt[c-1]) <= 0) ? 0 : 1); 
        }
        if (s == Bs[r]) return t;
        throw new UnsupportedOperationException("Hit the case not covered by the paper or its accompanying code");
    }

    private static int testNecklace(int r) {
        if (density == 0 || density == N) return 1;
        int p = 0;
        for (int i = 0; i < c; i++) {
            if (r - i <= 0) r += c;
            if (cmpBlocks(c-i, r-i) < 0) return 0;
            if (cmpBlocks(c-i, r-1) > 0) return N;
            if (r < c) p += Bs[r-i] + Bt[r-i];
        }
        return p;
    }

    private static int cmpPair(int a1, int a2, int b1, int b2) {
        if (a1 < b1) return -1;
        if (a1 > b1) return 1;
        if (a2 < b2) return -1;
        if (a2 > b2) return 1;
        return 0;
    }

    private static int cmpBlocks(int i, int j) {
        return cmpPair(Bs[i], Bt[i], Bs[j], Bt[j]);
    }

    private static boolean testSuffix(int r) {
        for (int i = 0; i < r; i++) {
            if (c - 1 - i == r) return true;
            if (cmpBlocks(c-1-i, r-i) < 0) return false;
            if (cmpBlocks(c-1-i, r-1) > 0) return true;
        }
        return false;
    }

    private static void updateBlock(int s, int t, int i) {
        if (i == 0 && c > 1) {
            Bs[c-1]++;
            Bs[c] = s - 1;
        }
        else {
            Bs[c] = 1;
            Bt[c] = i;
            Bs[c+1] = s-1;
            Bt[c+1] = t-i;
            c++;
        }
    }

    private static void restoreBlock(int s, int t, int i) {
        if (i == 0 && (c > 0 || (Bs[1] != 1 || Bt[1] != 0))) {
            Bs[c-1]--;
            Bs[c] = s;
        }
        else {
            Bs[c-1] = s;
            Bt[c-1] = t;
            c--;
        }
    }

    private static long[] stats = new long[N/2+1];
    private static long visited = 0;
    private static void visit() {
        String word = new String(a);

        visited++;
        if (precedesReversal(word) && testTernary(word)) System.out.println(word + " after " + (System.nanoTime() - start)/1000000 + " ms");
        if (System.nanoTime() > nextProgressReport) {
            System.out.println("Progress: visited " + visited + "; stats " + Arrays.toString(stats) + " after " + (System.nanoTime() - start)/1000000 + " ms");
             nextProgressReport += 5 * 60 * 1000000000L;
        }
    }

    private static boolean precedesReversal(String w) {
        int n = w.length();
        StringBuilder rev = new StringBuilder(w);
        rev.reverse();
        rev.append(rev, 0, n);
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            if (rev.substring(i, i + n).compareTo(w) < 0) return false;
        }
        return true;
    }

    private static boolean testTernary(String word) {
        int n = word.length();
        String rep = word + word;

        int base = 1;
        for (char ch : word.toCharArray()) base += ch & 1;

        // Operating base b for b up to 32 implies that we can multiply by b modulo p<2^57 without overflowing a long.
        // We're storing 3^(n/2) ~= 2^(0.8*n) sums, so while n < 35.6 we don't get *too* bad a probability of false reject.
        // (In fact the birthday paradox assumes independence, and our values aren't independent, so we're better off than that).
        long p = (1L << 57) - 13;
        long[] basis = new long[n];
        basis[0] = 1;
        for (int i = 1; i < basis.length; i++) basis[i] = (basis[i-1] * base) % p;

        int rows = n / 2 + 1;
        long[] colVals = new long[n];
        for (int col = 0; col < n; col++) {
            for (int row = 0; row < rows; row++) {
                colVals[col] = (colVals[col] + basis[row] * (rep.charAt(row + col) & 1)) % p;
            }
        }

        MapInt57Int27 map = new MapInt57Int27();
        // Special-case the initial insertion.
        int[] oldLens = new int[map.entries.length];
        int[] oldSupercounts = new int[1 << 10];
        {
            // count = 1
            for (int k = 0; k < n/2; k++) {
                int val = 1 << (25 - k);
                if (!map.put(colVals[k], val)) { stats[1]++; return false; }
                if (!map.put(colVals[k + n/2], val + (1 << 26))) { stats[1]++; return false; }
            }
        }
        final long keyMask = (1L << 37) - 1;
        for (int count = 2; count <= n/2; count++) {
            int[] lens = map.counts.clone();
            int[] supercounts = map.supercounts.clone();
            for (int sup = 0; sup < 1 << 10; sup++) {
                int unaccountedFor = supercounts[sup] - oldSupercounts[sup];
                for (int supi = 0; supi < 1 << 10 && unaccountedFor > 0; supi++) {
                    int i = (sup << 10) + supi;
                    int stop = lens[i];
                    unaccountedFor -= stop - oldLens[i];
                    for (int j = oldLens[i]; j < stop; j++) {
                        long existingKV = map.entries[i][j];
                        long existingKey = ((existingKV & keyMask) << 20) + i;
                        int existingVal = (int)(existingKV >>> 37);

                        // For each possible prepend...
                        int half = (existingVal >> 26) * n/2;
                        // We have 27 bits of key, of which the top marks the half, so 26 bits. That means there are 6 bits at the top which we need to not count.
                        int k = Integer.numberOfLeadingZeros(existingVal << 6) - 1;
                        while (k >= 0) {
                            int newVal = existingVal | (1 << (25 - k));
                            long pos = (existingKey + colVals[k + half]) % p;
                            if (pos << 1 > p) pos = p - pos;
                            if (pos == 0 || !map.put(pos, newVal)) { stats[count]++; return false; }
                            long neg = (p - existingKey + colVals[k + half]) % p;
                            if (neg << 1 > p) neg = p - neg;
                            if (neg == 0 || !map.put(neg, newVal)) { stats[count]++; return false; }
                            k--;
                        }
                    }
                }
            }
            oldLens = lens;
            oldSupercounts = supercounts;
        }

        stats[n/2]++;
        return true;
    }

    static class MapInt57Int27 {
        private long[][] entries;
        private int[] counts;
        private int[] supercounts;

        public MapInt57Int27() {
            entries = new long[1 << 20][];
            counts = new int[1 << 20];
            supercounts = new int[1 << 10];
        }

        public boolean put(long key, int val) {
            int bucket = (int)(key & (entries.length - 1));
            long insert = (key >>> 20) | (((long)val) << 37);
            final long mask = (1L << 37) - 1;

            long[] chain = entries[bucket];
            if (chain == null) {
                chain = new long[16];
                entries[bucket] = chain;
                chain[0] = insert;
                counts[bucket]++;
                supercounts[bucket >> 10]++;
                return true;
            }

            int stop = counts[bucket];
            for (int i = 0; i < stop; i++) {
                if ((chain[i] & mask) == (insert & mask)) {
                    return false;
                }
            }

            if (stop == chain.length) {
                long[] newChain = new long[chain.length < 512 ? chain.length << 1 : chain.length + 512];
                System.arraycopy(chain, 0, newChain, 0, chain.length);
                entries[bucket] = newChain;
                chain = newChain;
            }
            chain[stop] = insert;
            counts[bucket]++;
            supercounts[bucket >> 10]++;
            return true;
        }
    }
}

O primeiro encontrado é

000001001010110001000101001111111111

e esse é o único hit em 15 horas.

Vencedores menores:

4/3:    0111                       (plus 8 different 8/6)
9/6:    001001011                  (and 5 others)
11/7:   00010100111                (and 3 others)
13/8:   0001001101011              (and 5 others)
15/9:   000010110110111            (and 21 others)
16/9:   0000101110111011           (and 1 other)
20/11:  00000101111011110111       (and others)
22/12:  0000001100110011101011     (and others)
24/13:  000000101011101011101011   (and others)
26/14:  00000001101110010011010111 (and others)
28/15:  0000000010000111100111010111 (and others)
30/16:  000000001011001110011010101111 (and probably others)
32/17:  00001100010010100100101011111111 (and others)
34/18:  0000101000100101000110010111111111 (and others)

Python 2-21/12

No processo de provar que 2-(3/n)sempre existe um para qualquern

Inspirado por essa pergunta , usei a sequência De Bruijn para forçar a força bruta das matrizes possíveis. E, depois de forçar brute n=6,7,8,9,10, encontrei um padrão em que a solução mais alta está sempre na forma de (n, 2n-3).

Então, criei outro método para aplicar força nesse formato de matriz e usar o multiprocessamento para acelerar as coisas, pois essa tarefa é altamente distribuível. No ubuntu de 16 núcleos, ele pode encontrar solução n=12em cerca de 4 minutos:

Tentando (0, 254)
Tentando (254, 509)
Tentando (509, 764)
Tentando (764, 1018)
Tentando (1018, 1273)
Tentando (1273, 1528)
Tentando (1528, 1782)
Tentando (1782, 2037)
Tentando (2037, 2292)
Tentando (2292, 2546)
Tentando (2546, 2801)
Tentando (2801, 3056)
Tentando (3056, 3310)
Tentando (3820, 4075)
Tentando (3565, 3820)
Tentando (3310, 3565)
(1625, 1646)
[[0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0]
 [0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0]
 [0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0]
 [1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0]
 [0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1]
 [0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0]
 [1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0]
 [0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1]
 [1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0]
 [1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1]
 [1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1]
 [1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 1]]
(12, 21)
Pontuação: 1.7500

reais 4m9.121s
usuário 42m47.472s
sys 0m5.780s

A maior parte da computação vai para a verificação da propriedade X, que requer a verificação de todos os subconjuntos (existem 2^(2n-3)subconjuntos)

Observe que eu giro a primeira linha para a esquerda, não para a direita, como na pergunta. Mas estes são equivalentes, pois você pode reverter toda a matriz. =)

O código:

import math
import numpy as np
from itertools import combinations
from multiprocessing import Process, Queue, cpu_count

def de_bruijn(k, n):
    """
    De Bruijn sequence for alphabet k
    and subsequences of length n.
    """
    alphabet = list(range(k))
    a = [0] * k * n
    sequence = []
    def db(t, p):
        if t > n:
            if n % p == 0:
                for j in range(1, p + 1):
                    sequence.append(a[j])
        else:
            a[t] = a[t - p]
            db(t + 1, p)
            for j in range(a[t - p] + 1, k):
                a[t] = j
                db(t + 1, t)
    db(1, 1)
    return sequence

def generate_cyclic_matrix(seq, n):
    result = []
    for i in range(n):
        result.append(seq[i:]+seq[:i])
    return np.array(result)

def generate_cyclic_matrix_without_property_x(n=3, n_jobs=-1):
    seq = de_bruijn(2,n)
    seq = seq + seq[:n/2]
    max_idx = len(seq)
    max_score = 1
    max_matrix = np.array([[]])
    max_ij = (0,0)
    workers = []
    queue = Queue()
    if n_jobs < 0:
        n_jobs += cpu_count()+1
    for i in range(n_jobs):
        worker = Process(target=worker_function, args=(seq,i*(2**n-2*n+3)/n_jobs, (i+1)*(2**n-2*n+3)/n_jobs, n, queue))
        workers.append(worker)
        worker.start()
    (result, max_ij) = queue.get()
    for worker in workers:
        worker.terminate()
    return (result, max_ij)

def worker_function(seq,min_idx,max_idx,n,queue):
    print 'Trying (%d, %d)' % (min_idx, max_idx)
    for i in range(min_idx, max_idx):
        j = i+2*n-3
        result = generate_cyclic_matrix(seq[i:j], n)
        if has_property_x(result):
            continue
        else:
            queue.put( (result, (i,j)) )
            return

def has_property_x(mat):
    vecs = zip(*mat)
    vector_sums = set()
    for i in range(1, len(vecs)+1):
        for combination in combinations(vecs, i):
            vector_sum = tuple(sum(combination, np.array([0]*len(mat))))
            if vector_sum in vector_sums:
                return True
            else:
                vector_sums.add(vector_sum)
    return False

def main():
    import sys
    n = int(sys.argv[1])
    if len(sys.argv) > 2:
        n_jobs = int(sys.argv[2])
    else:
        n_jobs = -1
    (matrix, ij) = generate_cyclic_matrix_without_property_x(n, n_jobs)
    print ij
    print matrix
    print matrix.shape
    print 'Score: %.4f' % (float(matrix.shape[1])/matrix.shape[0])

if __name__ == '__main__':
    main()

Resposta antiga, para referência

A solução ideal até agora ( n=10):

(855, 872)
[[1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0]
 [1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1]
 [0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1]
 [1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0]
 [0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1]
 [1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0]
 [0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1]
 [0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0]
 [1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0]
 [1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1]]
(10, 17)
Pontuação: 1.7000

Para n=7:

(86, 97)
[[0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1]
 [1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0]
 [1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1]
 [1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1]
 [0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1]
 [1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0]
 [0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1]]
(7, 11)
Pontuação: 1.5714

Uma solução com a forma descrita por OP ( n=8):

(227, 239)
[[0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0]
 [1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0]
 [0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1]
 [1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0]
 [1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1]
 [1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1]
 [1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1]
 [1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1]]
(8, 12)
Pontuação: 1.5000

Mas um melhor ( n=8):

(95, 108)
[[0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1]
 [1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0]
 [1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1]
 [0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1]
 [0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0]
 [1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0]
 [0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1]
 [0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0]]
(8, 13)
Pontuação: 1.6250

Também encontrou outra solução ideal em n=9:

(103, 118)
[[0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1]
 [1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0]
 [0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1]
 [1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0]
 [1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1]
 [1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1]
 [0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1]
 [0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0]
 [0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0]]
(9, 15)
Pontuação: 1.6667

O código é o seguinte. É apenas força bruta, mas pelo menos pode encontrar algo melhor do que a reivindicação do OP =)

import numpy as np
from itertools import combinations

def de_bruijn(k, n):
    """
    De Bruijn sequence for alphabet k
    and subsequences of length n.
    """
    alphabet = list(range(k))
    a = [0] * k * n
    sequence = []
    def db(t, p):
        if t > n:
            if n % p == 0:
                for j in range(1, p + 1):
                    sequence.append(a[j])
        else:
            a[t] = a[t - p]
            db(t + 1, p)
            for j in range(a[t - p] + 1, k):
                a[t] = j
                db(t + 1, t)
    db(1, 1)
    return sequence

def generate_cyclic_matrix(seq, n):
    result = []
    for i in range(n):
        result.append(seq[i:]+seq[:i])
    return np.array(result)

def generate_cyclic_matrix_without_property_x(n=3):
    seq = de_bruijn(2,n)
    max_score = 0
    max_matrix = []
    max_ij = (0,0)
    for i in range(2**n+1):
        for j in range(i+n, 2**n+1):
            score = float(j-i)/n
            if score <= max_score:
                continue
            result = generate_cyclic_matrix(seq[i:j], n)
            if has_property_x(result):
                continue
            else:
                if score > max_score:
                    max_score = score
                    max_matrix = result
                    max_ij = (i,j)
    return (max_matrix, max_ij)

def has_property_x(mat):
    vecs = zip(*mat)
    vector_sums = set()
    for i in range(1, len(vecs)):
        for combination in combinations(vecs, i):
            vector_sum = tuple(sum(combination, np.array([0]*len(mat))))
            if vector_sum in vector_sums:
                return True
            else:
                vector_sums.add(vector_sum)
    return False

def main():
    import sys
    n = int(sys.argv[1])
    (matrix, ij) = generate_cyclic_matrix_without_property_x(n)
    print ij
    print matrix
    print matrix.shape
    print 'Score: %.4f' % (float(matrix.shape[1])/matrix.shape[0])

if __name__ == '__main__':
    main()

24/13 26/14 28/15 30/16 32/17 (c #)

Editar: informações desatualizadas excluídas da minha resposta. Estou usando o mesmo algoritmo de Peter Taylor ( Editar: parece que ele está usando um algoritmo melhor agora), embora tenha adicionado algumas das minhas otimizações:

• Eu implementei a estratégia "meet in the middle" de procurar conjuntos de colunas com a mesma soma vetorial (sugerida pelo comentário deste KennyTM ). Essa estratégia melhorou bastante o uso da memória, mas é bastante lenta, então eu adicionei a HasPropertyXFastfunção, que verifica rapidamente se há conjuntos pequenos com somas iguais antes de usar a abordagem "meet in the middle".
• Ao percorrer conjuntos de colunas na HasPropertyXFast função, começo verificando conjuntos de colunas com 1 coluna, depois com 2, 3 e assim por diante. A função retorna assim que a primeira colisão de somas de coluna é encontrada. Na prática, isso significa que geralmente tenho que verificar apenas algumas centenas ou milhares de conjuntos de colunas em vez de milhões.
• Estou usando longvariáveis ​​para armazenar e comparar colunas inteiras e suas somas de vetor. Essa abordagem é pelo menos uma ordem de magnitude mais rápida que comparar colunas como matrizes.
• Eu adicionei minha própria implementação de hashset, otimizada para o long tipo de dados e para meus padrões de uso.
• Estou reutilizando os mesmos três hashets durante toda a vida útil do aplicativo para reduzir o número de alocações de memória e melhorar o desempenho.
• Suporte multithreading.

Saída do programa:

00000000000111011101010010011111
10000000000011101110101001001111
11000000000001110111010100100111
11100000000000111011101010010011
11110000000000011101110101001001
11111000000000001110111010100100
01111100000000000111011101010010
00111110000000000011101110101001
10011111000000000001110111010100
01001111100000000000111011101010
00100111110000000000011101110101
10010011111000000000001110111010
01001001111100000000000111011101
10100100111110000000000011101110
01010010011111000000000001110111
10101001001111100000000000111011
11010100100111110000000000011101
Score: 32/17 = 1,88235294117647
Time elapsed: 02:11:05.9791250

Código:

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Diagnostics;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
    const int MaxWidth = 32;
    const int MaxHeight = 17;

    static object _lyndonWordLock = new object();

    static void Main(string[] args)
    {
        Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();
        double maxScore = 0;
        const int minHeight = 17; // 1
        for (int height = minHeight; height <= MaxHeight; height++)
        {
            Console.WriteLine("Row count = " + height);
            Console.WriteLine("Time elapsed: " + sw.Elapsed + "\r\n");

            int minWidth = Math.Max(height, (int)(height * maxScore) + 1);
            for (int width = minWidth; width <= MaxWidth; width++)
            {
#if MULTITHREADING
                int[,] matrix = FindMatrixParallel(width, height);
#else
                int[,] matrix = FindMatrix(width, height);
#endif
                if (matrix != null)
                {
                    PrintMatrix(matrix);
                    Console.WriteLine("Time elapsed: " + sw.Elapsed + "\r\n");
                    maxScore = (double)width / height;
                }
                else
                    break;
            }
        }
    }

#if MULTITHREADING
    static int[,] FindMatrixParallel(int width, int height)
    {
        _lyndonWord = 0;
        _stopSearch = false;

        int threadCount = Environment.ProcessorCount;
        Task<int[,]>[] tasks = new Task<int[,]>[threadCount];
        for (int i = 0; i < threadCount; i++)
            tasks[i] = Task<int[,]>.Run(() => FindMatrix(width, height));

        int index = Task.WaitAny(tasks);
        if (tasks[index].Result != null)
            _stopSearch = true;

        Task.WaitAll(tasks);
        foreach (Task<int[,]> task in tasks)
            if (task.Result != null)
                return task.Result;

        return null;
    }

    static volatile bool _stopSearch;
#endif

    static int[,] FindMatrix(int width, int height)
    {
#if MULTITHREADING
        _columnSums = new LongSet();
        _left = new LongSet();
        _right = new LongSet();
#endif

        foreach (long rowTemplate in GetLyndonWords(width))
        {
            int[,] matrix = new int[width, height];
            for (int x = 0; x < width; x++)
            {
                int cellValue = (int)(rowTemplate >> (width - 1 - x)) % 2;
                for (int y = 0; y < height; y++)
                    matrix[(x + y) % width, y] = cellValue;
            }

            if (!HasPropertyX(matrix))
                return matrix;

#if MULTITHREADING
            if (_stopSearch)
                return null;
#endif
        }

        return null;
    }

#if MULTITHREADING
    static long _lyndonWord;
#endif

    static IEnumerable<long> GetLyndonWords(int length)
    {
        long lyndonWord = 0;
        long max = (1L << (length - 1)) - 1;
        while (lyndonWord <= max)
        {
            if ((lyndonWord % 2 != 0) && PrecedesReversal(lyndonWord, length))
                yield return lyndonWord;

#if MULTITHREADING
            lock (_lyndonWordLock)
            {
                if (_lyndonWord <= max)
                    _lyndonWord = NextLyndonWord(_lyndonWord, length);
                else
                    yield break;

                lyndonWord = _lyndonWord;
            }
#else
            lyndonWord = NextLyndonWord(lyndonWord, length);
#endif
        }
    }

    static readonly int[] _lookup =
    {
        32, 0, 1, 26, 2, 23, 27, 0, 3, 16, 24, 30, 28, 11, 0, 13, 4, 7, 17,
        0, 25, 22, 31, 15, 29, 10, 12, 6, 0, 21, 14, 9, 5, 20, 8, 19, 18
    };

    static int NumberOfTrailingZeros(uint i)
    {
        return _lookup[(i & -i) % 37];
    }

    static long NextLyndonWord(long w, int length)
    {
        if (w == 0)
            return 1;

        int currentLength = length - NumberOfTrailingZeros((uint)w);
        while (currentLength < length)
        {
            w += w >> currentLength;
            currentLength *= 2;
        }

        w++;

        return w;
    }

    private static bool PrecedesReversal(long lyndonWord, int length)
    {
        int shift = length - 1;

        long reverse = 0;
        for (int i = 0; i < length; i++)
        {
            long bit = (lyndonWord >> i) % 2;
            reverse |= bit << (shift - i);
        }

        for (int i = 0; i < length; i++)
        {
            if (reverse < lyndonWord)
                return false;

            long bit = reverse % 2;
            reverse /= 2;
            reverse += bit << shift;
        }

        return true;
    }

#if MULTITHREADING
    [ThreadStatic]
#endif
    static LongSet _left = new LongSet();
#if MULTITHREADING
    [ThreadStatic]
#endif
    static LongSet _right = new LongSet();

    static bool HasPropertyX(int[,] matrix)
    {
        long[] matrixColumns = GetMatrixColumns(matrix);
        if (matrixColumns.Length == 1)
            return false;

        return HasPropertyXFast(matrixColumns) || MeetInTheMiddle(matrixColumns);
    }

    static bool MeetInTheMiddle(long[] matrixColumns)
    {
        long[] leftColumns = matrixColumns.Take(matrixColumns.Length / 2).ToArray();
        long[] rightColumns = matrixColumns.Skip(matrixColumns.Length / 2).ToArray();

        if (PrepareHashSet(leftColumns, _left) || PrepareHashSet(rightColumns, _right))
            return true;

        foreach (long columnSum in _left.GetValues())
            if (_right.Contains(columnSum))
                return true;

        return false;
    }

    static bool PrepareHashSet(long[] columns, LongSet sums)
    {
        int setSize = (int)System.Numerics.BigInteger.Pow(3, columns.Length);
        sums.Reset(setSize, setSize);
        foreach (long column in columns)
        {
            foreach (long sum in sums.GetValues())
                if (!sums.Add(sum + column) || !sums.Add(sum - column))
                    return true;

            if (!sums.Add(column) || !sums.Add(-column))
                return true;
        }

        return false;
    }

#if MULTITHREADING
    [ThreadStatic]
#endif
    static LongSet _columnSums = new LongSet();

    static bool HasPropertyXFast(long[] matrixColumns)
    {
        int width = matrixColumns.Length;

        int maxColumnCount = width / 3;
        _columnSums.Reset(width, SumOfBinomialCoefficients(width, maxColumnCount));

        int resetBit, setBit;
        for (int k = 1; k <= maxColumnCount; k++)
        {
            uint columnMask = (1u << k) - 1;
            long sum = 0;
            for (int i = 0; i < k; i++)
                sum += matrixColumns[i];

            while (true)
            {
                if (!_columnSums.Add(sum))
                    return true;
                if (!NextColumnMask(columnMask, k, width, out resetBit, out setBit))
                    break;
                columnMask ^= (1u << resetBit) ^ (1u << setBit);
                sum = sum - matrixColumns[resetBit] + matrixColumns[setBit];
            }
        }

        return false;
    }

    // stolen from Peter Taylor
    static bool NextColumnMask(uint mask, int k, int n, out int resetBit, out int setBit)
    {
        int gap = NumberOfTrailingZeros(~mask);
        int next = 1 + NumberOfTrailingZeros(mask & (mask + 1));

        if (((k - gap) & 1) == 0)
        {
            if (gap == 0)
            {
                resetBit = next - 1;
                setBit = next - 2;
            }
            else if (gap == 1)
            {
                resetBit = 0;
                setBit = 1;
            }
            else
            {
                resetBit = gap - 2;
                setBit = gap;
            }
        }
        else
        {
            if (next == n)
            {
                resetBit = 0;
                setBit = 0;
                return false;
            }

            if ((mask & (1 << next)) == 0)
            {
                if (gap == 0)
                {
                    resetBit = next - 1;
                    setBit = next;
                }
                else
                {
                    resetBit = gap - 1;
                    setBit = next;
                }
            }
            else
            {
                resetBit = next;
                setBit = gap;
            }
        }

        return true;
    }

    static long[] GetMatrixColumns(int[,] matrix)
    {
        int width = matrix.GetLength(0);
        int height = matrix.GetLength(1);

        long[] result = new long[width];
        for (int x = 0; x < width; x++)
        {
            long column = 0;
            for (int y = 0; y < height; y++)
            {
                column *= 13;
                if (matrix[x, y] == 1)
                    column++;
            }

            result[x] = column;
        }

        return result;
    }

    static int SumOfBinomialCoefficients(int n, int k)
    {
        int result = 0;
        for (int i = 0; i <= k; i++)
            result += BinomialCoefficient(n, i);
        return result;
    }

    static int BinomialCoefficient(int n, int k)
    {
        long result = 1;
        for (int i = n - k + 1; i <= n; i++)
            result *= i;
        for (int i = 2; i <= k; i++)
            result /= i;
        return (int)result;
    }

    static void PrintMatrix(int[,] matrix)
    {
        int width = matrix.GetLength(0);
        int height = matrix.GetLength(1);

        for (int y = 0; y < height; y++)
        {
            for (int x = 0; x < width; x++)
                Console.Write(matrix[x, y]);
            Console.WriteLine();
        }

        Console.WriteLine("Score: {0}/{1} = {2}", width, height, (double)width / height);
    }
}


class LongSet
{
    private static readonly int[] primes =
    {
        17, 37, 67, 89, 113, 149, 191, 239, 307, 389, 487, 613, 769, 967, 1213, 1523, 1907,
        2389, 2999, 3761, 4703, 5879, 7349, 9187, 11489, 14369, 17971, 22469, 28087, 35111,
        43889, 54869, 68597, 85751, 107197, 133999, 167521, 209431, 261791, 327247, 409063,
        511333, 639167, 798961, 998717, 1248407, 1560511, 1950643, 2438309, 3047909,
        809891, 4762367, 5952959, 7441219, 9301529, 11626913, 14533661, 18167089, 22708867,
        28386089, 35482627, 44353297, 55441637, 69302071, 86627603, 108284507, 135355669,
        169194593, 211493263, 264366593, 330458263, 413072843, 516341057, 645426329,
        806782913, 1008478649, 1260598321
    };

    private int[] _buckets;
    private int[] _nextItemIndexes;
    private long[] _items;
    private int _count;
    private int _minCapacity;
    private int _maxCapacity;
    private int _currentCapacity;

    public LongSet()
    {
        Initialize(0, 0);
    }

    private int GetPrime(int capacity)
    {
        foreach (int prime in primes)
            if (prime >= capacity)
                return prime;

        return int.MaxValue;
    }

    public void Reset(int minCapacity, int maxCapacity)
    {
        if (maxCapacity > _maxCapacity)
            Initialize(minCapacity, maxCapacity);
        else
            ClearBuckets();
    }

    private void Initialize(int minCapacity, int maxCapacity)
    {
        _minCapacity = GetPrime(minCapacity);
        _maxCapacity = GetPrime(maxCapacity);
        _currentCapacity = _minCapacity;

        _buckets = new int[_maxCapacity];
        _nextItemIndexes = new int[_maxCapacity];
        _items = new long[_maxCapacity];
        _count = 0;
    }

    private void ClearBuckets()
    {
        Array.Clear(_buckets, 0, _currentCapacity);
        _count = 0;
        _currentCapacity = _minCapacity;
    }

    public bool Add(long value)
    {
        int bucket = (int)((ulong)value % (ulong)_currentCapacity);
        for (int i = _buckets[bucket] - 1; i >= 0; i = _nextItemIndexes[i])
            if (_items[i] == value)
                return false;

        if (_count == _currentCapacity)
        {
            Grow();
            bucket = (int)((ulong)value % (ulong)_currentCapacity);
        }

        int index = _count;
        _items[index] = value;
        _nextItemIndexes[index] = _buckets[bucket] - 1;
        _buckets[bucket] = index + 1;
        _count++;

        return true;
    }

    private void Grow()
    {
        Array.Clear(_buckets, 0, _currentCapacity);

        const int growthFactor = 8;
        int newCapacity = GetPrime(_currentCapacity * growthFactor);
        if (newCapacity > _maxCapacity)
            newCapacity = _maxCapacity;
        _currentCapacity = newCapacity;

        for (int i = 0; i < _count; i++)
        {
            int bucket = (int)((ulong)_items[i] % (ulong)newCapacity);
            _nextItemIndexes[i] = _buckets[bucket] - 1;
            _buckets[bucket] = i + 1;
        }
    }

    public bool Contains(long value)
    {
        int bucket = (int)((ulong)value % (ulong)_buckets.Length);
        for (int i = _buckets[bucket] - 1; i >= 0; i = _nextItemIndexes[i])
            if (_items[i] == value)
                return true;

        return false;
    }

    public IReadOnlyList<long> GetValues()
    {
        return new ArraySegment<long>(_items, 0, _count);
    }
}

Arquivo de configuração:

<?xml version="1.0" encoding="utf-8" ?>
<configuration>
  <runtime>
    <gcAllowVeryLargeObjects enabled="true" />
  </runtime>
</configuration>