Encuentra la matriz de mayor puntuación sin propiedad X

Este desafío es en parte un desafío de algoritmos, en parte un desafío de optimización y en parte simplemente un desafío de código más rápido.

Una matriz cíclica está completamente especificada por su primera fila r. Las filas restantes son permutaciones cíclicas de la fila rcon un desplazamiento igual al índice de la fila. Permitiremos matrices cíclicas que no sean cuadradas para que simplemente falten algunas de sus últimas filas. Sin embargo, siempre suponemos que el número de filas no es mayor que el número de columnas. Por ejemplo, considere la siguiente matriz cíclica de 3 por 5.

10111
11011
11101

Decimos que una matriz tiene la propiedad X si contiene dos conjuntos de columnas no vacías con índices no idénticos que tienen la misma suma (vector). La suma vectorial de dos columnas es simplemente una suma de elementos de las dos columnas. Esa es la suma de dos columnas que contienen xelementos, cada una es otra columna que contiene xelementos.

La matriz anterior trivialmente tiene la propiedad X ya que la primera y la última columna son las mismas. La matriz de identidad nunca tiene la propiedad X.

Si solo eliminamos la última columna de la matriz anterior, obtenemos un ejemplo que no tiene la propiedad X y daría una puntuación de 4/3.

1011
1101
1110

La tarea

La tarea es escribir código para encontrar la matriz cíclica de mayor puntuación cuyas entradas son todas 0 o 1 y que no tiene la propiedad X.

Puntuación

Su puntaje será el número de columnas dividido por el número de filas en su mejor matriz de puntaje.

Desempate

Si dos respuestas tienen el mismo puntaje, gana la que presentó primero.

En el caso (muy) improbable de que alguien encuentre un método para obtener puntajes ilimitados, se aceptará la primera prueba válida de tal solución. En el caso aún más improbable de que pueda encontrar una prueba de la optimización de una matriz finita, por supuesto, también otorgaré la victoria.

Insinuación

Obtener un puntaje de 12/8 no es demasiado difícil.

Idiomas y bibliotecas

Puede usar cualquier idioma que tenga un compilador / intérprete / etc. para Linux y cualquier biblioteca que también esté disponible gratuitamente para Linux.

Entradas principales

• 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)

Esto utiliza una serie de ideas para reducir el espacio de búsqueda y el costo. Vea el historial de revisiones para obtener más detalles sobre versiones anteriores del código.

• Está claro que wlog solo podemos considerar matrices circulantes en las que la primera fila es una palabra de Lyndon : si la palabra no es primo, entonces debe tener la propiedad X, y de lo contrario podemos rotar sin afectar el puntaje o la propiedad X.
• Basado en la heurística de los ganadores cortos observados, ahora estoy iterando a través de las palabras de Lyndon comenzando en las que tienen una densidad del 50% (es decir, el mismo número de 0y 1) y trabajando; Utilizo el algoritmo descrito en el código A Gray para collares de densidad fija y palabras de Lyndon en tiempo amortizado constante , Sawada y Williams, Theoretical Computer Science 502 (2013): 46-54.
• Una observación empírica es que los valores ocurren en pares: cada palabra óptima de Lyndon que he encontrado puntúa igual que su inversión. Así que obtengo un factor de dos aceleraciones considerando solo la mitad de cada par.
• Mi código original funcionó BigIntegerpara dar una prueba exacta. Obtengo una mejora significativa de la velocidad, a riesgo de falsos negativos, al operar el módulo un gran primo y mantener todo en primitivos. El primer que he elegido es el más grande más pequeño que 2 ⁵⁷ , ya que eso permite multiplicar por la base de mi representación vectorial nocional sin desbordar.
• He robado la heurística de Suboptimus Prime de que es posible obtener rechazos rápidos considerando subconjuntos en orden creciente de tamaño. Ahora he fusionado esa idea con el enfoque de encuentro de subconjuntos ternarios intermedios para probar los subconjuntos en colisión. ( Gracias a KennyTM por sugerir tratar de adaptar el enfoque del problema del subconjunto de enteros; creo que xnor y yo vimos la manera de hacerlo de manera simultánea). En lugar de buscar dos subconjuntos que pueden incluir cada columna 0 o 1 veces y tener la misma suma, buscamos un subconjunto que pueda incluir cada columna -1, 0 o 1 veces y sumar a cero. Esto reduce significativamente los requisitos de memoria.
• Hay un factor adicional de dos requisitos de ahorro en memoria al observar que dado que cada elemento {-1,0,1}^mtiene su negación también {-1,0,1}^m, solo es necesario almacenar uno de los dos.
• También mejoro los requisitos de memoria y el rendimiento mediante el uso de una implementación personalizada de hashmap. Para probar 36/19 requiere almacenar 3 ^ 18 sumas, y 3 ^ 18 longs es casi 3GB sin ningún gasto general. Le di 6GB de almacenamiento dinámico porque 4GB no era suficiente; ir más allá (es decir, la prueba 38/20) dentro de 8 GB de RAM requeriría una mayor optimización para almacenar entradas en lugar de largas. Con 20 bits necesarios para decir qué subconjunto produce la suma que dejaría 12 bits más los bits implícitos del depósito; Me temo que habría demasiadas colisiones falsas para recibir algún golpe.
• Dado que el peso de la evidencia sugiere que debemos mirar 2n/(n+1), estoy acelerando las cosas simplemente probando eso.
• Hay algunos resultados estadísticos innecesarios pero tranquilizadores.

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;
        }
    }
}

El primero encontrado es

000001001010110001000101001111111111

y ese es el único éxito en 15 horas.

Ganadores más pequeños:

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

En el proceso de probar que 2-(3/n)siempre existe un para cualquiern

Inspirado por esta pregunta , utilicé la secuencia de De Bruijn para forzar con fuerza bruta las posibles matrices. Y después de la fuerza bruta n=6,7,8,9,10, encontré un patrón que la solución más alta siempre tiene forma (n, 2n-3).

Así que creé otro método para aplicar fuerza bruta solo a esa forma de matriz, y utilizo el multiprocesamiento para acelerar las cosas, ya que esta tarea es altamente distribuible. En ubuntu de 16 núcleos, puede encontrar una solución n=12en aproximadamente 4 minutos:

Tratando (0, 254)
Tratando (254, 509)
Tratando (509, 764)
Tratando (764, 1018)
Tratando (1018, 1273)
Tratando (1273, 1528)
Tratando (1528, 1782)
Tratando (1782, 2037)
Tratando (2037, 2292)
Tratando (2292, 2546)
Tratando (2546, 2801)
Tratando (2801, 3056)
Tratando (3056, 3310)
Tratando (3820, 4075)
Tratando (3565, 3820)
Tratando (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)
Puntuación: 1.7500

reales 4m9.121s
usuario 42m47.472s
sys 0m5.780s

La mayor parte del cálculo va a verificar la propiedad X, que requiere verificar todos los subconjuntos (hay 2^(2n-3)subconjuntos)

Tenga en cuenta que giro la primera fila hacia la izquierda, no hacia la derecha como en la pregunta. Pero estos son equivalentes, ya que puede revertir toda la matriz. =)

El 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()

Antigua respuesta, para referencia

La solución óptima hasta ahora ( 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)
Puntuación: 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)
Puntuación: 1.5714

Una solución con la 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)
Puntuación: 1.5000

Pero uno mejor ( 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)
Puntuación: 1.6250

También encontró otra solución óptima en 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)
Puntuación: 1.6667

El código es el siguiente. Es solo fuerza bruta, pero al menos puede encontrar algo mejor que la afirmación de 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: información obsoleta eliminada de mi respuesta. Estoy usando principalmente el mismo algoritmo que Peter Taylor ( Editar: parece que ahora está usando un algoritmo mejor), aunque he agregado algunas de mis propias optimizaciones:

• He implementado la estrategia "cumplir en el medio" de buscar conjuntos de columnas con la misma suma de vectores (sugerido por el comentario de KennyTM ). Esta estrategia mejoró mucho el uso de la memoria, pero es bastante lenta, por lo que he agregado la HasPropertyXFastfunción, que comprueba rápidamente si hay un conjunto pequeño con sumas iguales antes de usar el enfoque "cumplir en el medio".
• Al iterar a través de conjuntos de columnas en la HasPropertyXFast función, empiezo comprobando conjuntos de columnas con 1 columna, luego con 2, 3 y así sucesivamente. La función vuelve tan pronto como se encuentra la primera colisión de sumas de columna. En la práctica, significa que generalmente tengo que verificar unos pocos cientos o miles de conjuntos de columnas en lugar de millones.
• Estoy usando longvariables para almacenar y comparar columnas enteras y sus sumas vectoriales. Este enfoque es al menos un orden de magnitud más rápido que comparar columnas como matrices.
• He agregado mi propia implementación de hashset, optimizada para long el tipo de datos y para mis patrones de uso.
• Estoy reutilizando los mismos 3 hashsets durante toda la vida útil de la aplicación para reducir la cantidad de asignaciones de memoria y mejorar el rendimiento.
• Soporte multihilo.

Salida del 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);
    }
}

Archivo de configuración:

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