4OPS: Structural Difficulty Modeling in Integer Arithmetic Puzzles

arXiv cs.AI / 3/27/2026

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Key Points

  • 4OPSは、整数演算パズルにおける難しさを「最小操作数」として定義し、その構造的決定要因を形式化して解析する研究である。
  • 動的計画法による厳密ソルバで到達可能な目標を列挙し、最小操作の“証拠”(witness)を抽出して、大規模な難度ラベリングを可能にしている。
  • 3.4百万超のインスタンスからなるデータセットを構築し、到達可能性や難度の予測をベースラインML(bag/target統計)で試みたが、簡単/難化を十分に識別できないことが示された。
  • 一方で、難度は厳密な証拠から導かれる少数の解釈可能な構造属性によって完全に決まることが示され、特に最小構成に使われる入力値数が難度の最小十分統計として機能する。
  • この枠組みにより、説明可能な難度推定やタスク順序付け(sequencing)を、象徴的推論とデータ駆動モデルの橋渡しとして実現し、適応的な算数学習や練習計画システムへの応用が示唆される。

Abstract

Arithmetic puzzle games provide a controlled setting for studying difficulty in mathematical reasoning tasks, a core challenge in adaptive learning systems. We investigate the structural determinants of difficulty in a class of integer arithmetic puzzles inspired by number games. We formalize the problem and develop an exact dynamic-programming solver that enumerates reachable targets, extracts minimal-operation witnesses, and enables large-scale labeling. Using this solver, we construct a dataset of over 3.4 million instances and define difficulty via the minimum number of operations required to reach a target. We analyze the relationship between difficulty and solver-derived features. While baseline machine learning models based on bag- and target-level statistics can partially predict solvability, they fail to reliably distinguish easy instances. In contrast, we show that difficulty is fully determined by a small set of interpretable structural attributes derived from exact witnesses. In particular, the number of input values used in a minimal construction serves as a minimal sufficient statistic for difficulty under this labeling. These results provide a transparent, computationally grounded account of puzzle difficulty that bridges symbolic reasoning and data-driven modeling. The framework supports explainable difficulty estimation and principled task sequencing, with direct implications for adaptive arithmetic learning and intelligent practice systems.
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