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N皇后問題--回溯法

1.引子

   中國有一句古話,叫做“不撞南牆不回頭",生動的說明了一個人的固執,有點貶義,但是在軟體程式設計中,這種思路確是一種解決問題最簡單的演算法,它通過一種類似於蠻幹的思路,一步一步地往前走,每走一步都更靠近目標結果一些,直到遇到障礙物,我們才考慮往回走。然後再繼續嘗試向前。通過這樣的波浪式前進方法,最終達到目的地。當然整個過程需要很多往返,這樣的前進方式,效率比較低下。

2.適用範圍

   適用於那些不存在簡明的數學模型以闡明問題的本質,或者存在數學模型,但是難於實現的問題。

3.應用場景

   在8*8國際象棋棋盤上,要求在每一行放置一個皇后,且能做到在豎方向,斜方向都沒有衝突。國際象棋的棋盤如下圖所示:

3c3f32555ed870c1b745aeb2

4.分析

  基本思路如上面分析一致,我們採用逐步試探的方式,先從一個方向往前走,能進則進,不能進則退,嘗試另外的路徑。首先我們來分析一下國際象棋的規則,這些規則能夠限制我們的前進,也就是我們前進途中的障礙物。一個皇后q(x,y)能被滿足以下條件的皇后q(row,col)吃掉

1)x=row(在縱向不能有兩個皇后)

2)  y=col(橫向)

3)col + row = y+x;(斜向正方向)

4)  col - row = y-x;(斜向反方向)

遇到上述問題之一的時候,說明我們已經遇到了障礙,不能繼續向前了。我們需要退回來,嘗試其他路徑。

我們將棋盤看作是一個8*8的陣列,這樣可以使用一種蠻幹的思路去解決這個問題,這樣我們就是在8*8=64個格子中取出8個的組合,C(64,80) = 4426165368,顯然這個數非常大,在蠻幹的基礎上我們可以增加回溯,從第0列開始,我們逐列進行,從第0行到第7行找到一個不受任何已經現有皇后攻擊的位置,而第五列,我們會發現找不到皇后的安全位置了,前面四列的擺放如下:

image

第五列的時候,擺放任何行都會上圖所示已經存在的皇后的攻擊,這時候我們認為我們撞了南牆了,是回頭的時候了,我們後退一列,將原來擺放在第四列的皇后(3,4)拿走,從(3,4)這個位置開始,我們再第四列中尋找下一個安全位置為(7,4),再繼續到第五列,發現第五列仍然沒有安全位置,回溯到第四列,此時第四列也是一個死衚衕了,我們再回溯到第三列,這樣前進幾步,回退一步,最終直到在第8列上找到一個安全位置(成功)或者第一列已經是死衚衕,但是第8列仍然沒有找到安全位置為止

總結一下,用回溯的方法解決8皇后問題的步驟為:

1)從第一列開始,為皇后找到安全位置,然後跳到下一列

2)如果在第n列出現死衚衕,如果該列為第一列,棋局失敗,否則後退到上一列,在進行回溯

3)如果在第8列上找到了安全位置,則棋局成功。

8個皇后都找到了安全位置代表棋局的成功,用一個長度為8的整數陣列queenList代表成功擺放的8個皇后,陣列索引代表棋盤的col向量,而陣列的值為棋盤的row向

量,所以(row,col)的皇后可以表示為(queenList[col],col),如上圖中的幾個皇后可表示為:

queenList[0] = 0;  queenList[1] = 3;   queenList[2] = 1;  queenList[3] = 4;   queenList = 2;

我們看一下如何設計程式:

首先判斷(row,col)是否是安全位置的演算法:

參考:

http://www.cnblogs.com/jillzhang/archive/2007/10/21/922830.html

http://blog.csdn.net/justme0/article/details/7540425

http://www.cnblogs.com/drizzlecrj/archive/2007/10/04/913703.html#undefined