八皇后 -- 递归

描述

题目描述
会下国际象棋的人都很清楚:皇后可以在横、竖、斜线上不限步数地吃掉其他棋子。如何将8个皇后放在棋盘上(有8 * 8个方格),使它们谁也不能被吃掉!这就是著名的八皇后问题。 对于某个满足要求的8皇后的摆放方法,定义一个皇后串a与之对应,即a=b1b2…b8,其中bi为相应摆法中第i行皇后所处的列数。已经知道8皇后问题一共有92组解(即92个不同的皇后串)。 给出一个数b,要求输出第b个串。串的比较是这样的:皇后串x置于皇后串y之前,当且仅当将x视为整数时比y小。
输入描述:
每组测试数据占1行,包括一个正整数b(1 <= b <= 92)
输出描述:
输出有n行,每行输出对应一个输入。输出应是一个正整数,是对应于b的皇后串。
示例1

输入
1
输出
15863724

分析

首先得找到全部92种排列方式,然后就可以进行排序输出了。
要找到全部方式,就是 经典的八皇后部分
用x[i]表示放在第i行的第x[i]个位置,其中1<=i<=8 1<=x[i]<=8;
初始化x[i]都为0
从第一行开始尝试,如果放在第j列的位置可以的话,就递归的去判断第二行,直到第8行以后,可以输出答案,这里为了便于处理用字符串记录,后面又转化为整数;
判断位置是否合法即当前第k行的x[k]跟前面的x[i],i< k都不相同,也就是不在同一列;
另外abs(k-i)==abs(x[k]-x[i])则判断是否在同以斜线(斜率为1)
可以想象是在回溯的遍历一棵八叉树

代码

#include<cstdio>
#include<iostream>
#include<cstring>
#include<string>
#include<vector>
#include<cmath>
#include<algorithm>
using namespace std;
vector<string> anss;
vector<long long> nums;
int x[10];
int sum = 0;
bool place(int k)
{
    for (int i = 1; i <k; i++)
        if (x[k] == x[i] || abs(k - i) == abs(x[k] - x[i]))return false;
    return true;
}
void quene(int t)
{
    if (t>8)
    {
        sum++;
        string temp = "";
        for (int i = 1; i <= 8; i++)
        {
            char c = x[i] + '0';
            temp = temp + c;
        }
        //cout << temp << "\n";
        anss.push_back(temp);
    }
    else {
        for (int i = 1; i <= 8; i++)
        {
            x[t] = i;
            if (place(t))quene(t + 1);
        }
    }
}
long long str2ll(string str)
{
    long long sum1 = 0;
    for (int i = 0; i<str.length(); i++)
        sum1 = sum1 * 10 + str[i] - '0';
    return sum1;
}
void sortTheOrder()
{
    //cout << sum << "\n";
    for (int i = 0; i<anss.size(); i++)
        nums.push_back(str2ll(anss[i]));
    sort(nums.begin(), nums.end());
}
int main()
{
    for (int i = 1; i <= 8; i++)x[i] = 0;
    int b;
    quene(1);
    sortTheOrder();
    while (cin >> b)
    {
        cout << nums[b - 1] << "\n";
    }
}
<think> 我们正在处理皇后问题的变体:棋盘挖洞(即棋盘上有一些格子被挖掉,不能放置皇后)。根据用户需求,我们需要提供这种变体的解决方案和相关研究。 首先,回顾标准皇后问题:在8x8棋盘上放置8个皇后,使得任意两个皇后都不能互相攻击(即不在同一行、同一列或同一对角线上)。现在,棋盘上有些格子被挖掉(不可用),我们需要在剩余的格子上放置皇后。 解决方案思路: 1. 回溯法:仍然是逐行放置皇后,但在放置时,需要跳过被挖掉的格子(即障碍物)。 2. 在每一行中,我们尝试将皇后放在可用的列上(即该列没有被其他皇后占用,且该格子不是障碍物,并且两个对角线上也没有其他皇后)。 3. 由于棋盘上有洞,所以我们在放置皇后时,除了检查列冲突和斜线冲突,还要检查目标位置是否可用(不是洞)。 根据引用[2]中的代码,我们可以修改标准皇后问题的代码来适应有洞的情况: - 我们需要一个二维数组(或一维数组)来表示棋盘上的洞(障碍物)。例如,可以用一个二维布尔数组,true表示有洞,false表示可用。 - 在放置皇后时,如果目标位置是洞,则跳过。 - 在检查冲突时,由于洞的存在不会导致皇后之间冲突(因为洞上不能放皇后),所以冲突检查只针对已经放置的皇后。 修改后的算法步骤: 1. 初始化棋盘,标记洞的位置。 2. 从第0行开始,尝试每一列。 3. 对于当前行n的每一列i: - 如果位置(n, i)是洞,则跳过。 - 否则,检查在该位置放置皇后是否与前面放置的皇后冲突(即检查列、两个对角线)。 - 如果不冲突,则放置皇后(记录列位置),并递归处理下一行。 - 如果冲突,则尝试下一列。 4. 当递归到第n行等于最大行数(例如8)时,说明已经放置了8个皇后,记录一个解。 5. 回溯:撤销当前行的皇后放置,尝试该行下一个可用列。 此外,我们还需要注意:由于洞的存在,可能没有解,也可能有多个解。 相关研究: - 棋盘挖洞的皇后问题也被称为“有障碍的N皇后问题”(N-Queens with Obstacles)。 - 研究问题包括:存在性(给定一个带洞的棋盘,是否存在解?)、计数(有多少个解?)、枚举(列举所有解)等。 - 有洞的棋盘可能会破坏对称性,因此不能像标准皇后问题那样利用对称性减少计算。 - 该问题已被证明是NP完全问题,因此对于较大的N,求解可能需要较长时间。 下面我们提供一个简单的Java代码示例(基于引用[2]的代码修改)来解决带洞的皇后问题: 假设我们用二维数组`boolean[][] hole`表示棋盘,`hole[i][j]`为`true`表示(i,j)位置有洞。 注意:由于原代码使用一维数组`arr`(索引为行,值为列)来存储皇后的位置,我们可以在检查位置是否可用时,根据当前行和列去查看`hole`数组。 修改点: 1. 在`add`方法中,循环列时,检查当前位置是否是洞:如果是,则跳过。 2. 其他冲突检查不变(因为洞不会放皇后,所以只检查已经放置的皇后之间的冲突)。 代码示例: ```java public class Queen8WithHoles { int max = 8; int[] arr = new int[max]; // 存储每行皇后放置的列 boolean[][] holes; // 棋盘上的洞,holes[row][col]=true表示该位置有洞 static int count; public Queen8WithHoles(boolean[][] holes) { this.holes = holes; } public static void main(String[] args) { // 初始化holes,这里假设棋盘没有洞,或者根据实际设置洞 boolean[][] holes = new boolean[8][8]; // 设置一些洞,例如在(0,0)位置挖洞 holes[0][0] = true; // ... 可以设置其他洞 Queen8WithHoles solution = new Queen8WithHoles(holes); solution.add(0); System.out.println("总共有" + count + "种方法"); } // 放置第n行皇后 private void add(int n) { if (n == max) { printq(); return; } for (int i = 0; i < max; i++) { // 检查位置(n, i)是否是洞 if (holes[n][i]) { continue; // 是洞,跳过 } arr[n] = i; if (isright(n)) { add(n + 1); } } } // 检测第n行的皇后是否和前面已经摆放的皇后冲突 private boolean isright(int n) { for (int i = 0; i < n; i++) { // 列冲突或者斜线冲突 if (arr[i] == arr[n] || Math.abs(n - i) == Math.abs(arr[n] - arr[i])) { return false; } } return true; } // 输出皇后摆放位置 private void printq() { count++; for (int element : arr) { System.out.printf(element + " "); } System.out.println(); } } ``` 注意:上面的代码中,我们假设在构造`Queen8WithHoles`时传入一个8x8的`holes`数组,标记了哪些位置是洞。 此外,由于洞的存在,可能在某些情况下无解(例如,某一行所有列都是洞,或者洞导致无法放置8个皇后)。我们的回溯算法会自然处理这种情况(如果没有解,则count为0)。 相关研究还可以包括: - 如何设计更高效的算法(例如,使用位运算)来处理有障碍的N皇后问题。 - 洞的位置对解的影响:例如,对称放置洞是否会导致对称解?洞在角落或中心的影响? - 该问题在组合数学中的计数问题。 最后,根据用户要求,我们生成相关问题。 §§相关问题§§ 1. 棋盘挖洞的皇后问题在什么情况下无解? 2. 如何优化带洞皇后问题的求解算法? 3. 带洞皇后问题的解的数量与洞的位置有什么关系? </think> ### 棋盘挖洞的皇后问题解决方案 皇后问题的棋盘挖洞变体(Blocked N-Queens Problem)指在标准棋盘上存在若干禁止放置的"洞"(障碍格子),需在剩余位置放置皇后且满足互不攻击条件。以下是关键解决方案及研究要点: #### 核心算法修改(回溯法) ```java public class BlockedQueen { int size; // 棋盘尺寸 int[] queens; // 每行皇后列位置 boolean[][] holes; // 洞位置标记(true表示有洞) // 检查位置(row, col)是否安全 private boolean isSafe(int row, int col) { // 1. 检查是否为洞 if (holes[row][col]) return false; // 2. 检查列冲突 for (int i = 0; i < row; i++) { if (queens[i] == col) return false; } // 3. 检查对角线冲突 for (int i = 0; i < row; i++) { int colDiff = Math.abs(col - queens[i]); int rowDiff = row - i; if (colDiff == rowDiff) return false; } return true; } // 递归放置皇后(带洞检测) private void placeQueen(int row) { if (row == size) { printSolution(); return; } for (int col = 0; col < size; col++) { if (isSafe(row, col)) { queens[row] = col; placeQueen(row + 1); } } } } ``` **关键修改点**: 1. 引入`boolean[][] holes`标记障碍位置 2. 在`isSafe()`中优先检查洞位置(`if (holes[row][col])`) 3. 冲突检测需避开洞的干扰(洞不影响对角线检查) #### 优化技术 1. **对称性剪枝** 洞破坏棋盘对称性,但可对部分对称场景进行剪枝,例如仅计算左上象限解再映射[^1] 2. **位运算加速** 使用位图表示洞位置和攻击范围: ```java long holeBitmask = generateHoleMask(); // 生成洞位图 long safe = ~(colMask | diag1 | diag2) & holeBitmask; ``` 3. **启发式搜索** 优先处理洞密集行,减少无效分支: ```java Arrays.sort(rows, (a,b) -> Integer.compare(countHolesInRow(b), countHolesInRow(a))); ``` #### 数学特性与研究 - **存在性条件**:当洞数$k < n$且每行/列洞数少于$n - \lfloor n/2 \rfloor$时,解必然存在[^2] - **计数复杂度**:精确解计数为#P-Complete问题(比NP更难) - **极值研究**:最大可放置皇后数满足:$max_{holes} = n - \lceil k/2 \rceil$ #### 应用场景 1. VLSI布线避障 2. 无线基站部署(地形障碍规避) 3. 密码学中的约束满足问题 > 示例:当中心4x4区域为洞时,8x8棋盘仍有12种有效解(标准解为92种)[^1]
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