素数环(dfs)

素数环问题解析
本文介绍了一道经典的组合数学题目——素数环问题。题目要求将1至n的自然数放置于n个圆圈中,使得相邻两圆圈内的数字之和为素数,并且首位数字固定为1。文章提供了完整的AC代码实现,采用深度优先搜索算法解决该问题。

问题链接:点击打开链接



原题:

Prime Ring Problem

Time Limit: 4000/2000 MS (Java/Others)    Memory Limit: 65536/32768 K (Java/Others)
Total Submission(s): 27209    Accepted Submission(s): 12148


Problem Description
A ring is compose of n circles as shown in diagram. Put natural number 1, 2, ..., n into each circle separately, and the sum of numbers in two adjacent circles should be a prime.

Note: the number of first circle should always be 1.


 

Input
n (0 < n < 20).
 

Output
The output format is shown as sample below. Each row represents a series of circle numbers in the ring beginning from 1 clockwisely and anticlockwisely. The order of numbers must satisfy the above requirements. Print solutions in lexicographical order.

You are to write a program that completes above process.

Print a blank line after each case.
 

Sample Input
  
6 8
 

Sample Output
  
Case 1: 1 4 3 2 5 6 1 6 5 2 3 4 Case 2: 1 2 3 8 5 6 7 4 1 2 5 8 3 4 7 6 1 4 7 6 5 8 3 2 1 6 7 4 3 8 5 2
 

Source
 
code:


#include<stdio.h>
#include<math.h>
int visit[21]={0},num[21]={0},n;
int prime(int n)
{
int k;
for(k=2;k<=sqrt(n);k++)
if(n%k==0)
return 0;
return 1;
}
void dfs(int k)
{
int i;
if(k>n&&prime(num[n]+num[1]))
{
printf("%d",num[1]);
for(i=2;i<=n;i++)
printf(" %d",num[i]);
printf("\n");
}
else
{
for(i=2;i<=n;i++)
{
if(!visit[i]&&prime(num[k-1]+i))
{
num[k]=i;
visit[i]=1;
dfs(k+1);
visit[i]=0;
}
}
}
}


int main()
{
int cas=0;
while(scanf("%d",&n)!=EOF)
{
cas++;
printf("Case %d:\n",cas);
num[1]=1;
dfs(2);
printf("\n");
}
return 0;
}

<think>我们正在处理一个关于C++实现素数环问题的查询。用户希望了解题解或算法实现。根据引用内容,我们有多个关于素数环问题的C++代码示例。素数环问题要求将1到n的整数排列成一个环,使得相邻两个数之和均为素数,且环的第一个数是1(固定)。我们可以总结出以下关键点:1.使用深度优先搜索(DFS)和回溯法来尝试所有可能的排列,但通过剪枝减少不必要的搜索。2.需要一个数组来记录当前排列(a[]),一个数组来记录数字是否已被使用(v[]或used[])。3.需要一个判断素数的函数(isPrime()或pan()),注意效率(只需判断到平方根)。4.当排列到最后一个数时,需要额外判断最后一个数与第一个数之和是否为素数(因为成环)。我们将参考引用中的代码,特别是引用[2]和引用[3]的代码,因为它们更完整且可读性较好。步骤:1.初始化:第一个位置固定为1,标记1已使用。2.从第二个位置开始进行DFS搜索。3.在DFS中:-如果当前已经放置了cnt个数(cnt>=2),则判断新加入的数与前一个数的和是否为素数(回溯剪枝)。-如果已经放置了n个数,则检查最后一个数与第一个数的和是否为素数,如果是则输出整个环(并可能退出,根据题目要求输出一个解或所有解)。-否则,尝试每一个未使用的数,放置到当前位置,标记已使用,递归搜索下一个位置,然后回溯(取消标记)。注意:引用[2]中,当找到一个解时,程序立即退出(exit(0)),因为题目要求输出任意一个满足条件的环。而引用[3]则输出所有解(题目要求可能不同)。我们根据用户需求,可以提供一个输出任意一个解的版本(因为题目通常要求输出一个解),也可以提供输出所有解的版本。但根据引用[2]的题目描述,要求输出任意一个满足条件的环,因此我们采用输出一个解并退出的方式。下面给出一个完整的C++实现,并添加详细注释。</think>### C++ 素数环问题题解与算法实现 素数环问题要求将整数 1 到 n 排列成一个环,使得相邻两个整数之和均为素数(环的首位也需满足此条件)。以下是使用回溯算法的高效实现: ```cpp #include <iostream> #include <vector> #include <cmath> using namespace std; // 判断素数函数 bool isPrime(int num) { if (num < 2) return false; for (int i = 2; i <= sqrt(num); i++) { if (num % i == 0) return false; } return true; } // 回溯搜索函数 void backtrack(vector<int>& ring, vector<bool>& used, int n, int pos) { // 当环填满时检查首尾和 if (pos == n) { if (isPrime(ring[0] + ring[n-1])) { for (int num : ring) cout << num << " "; cout << endl; exit(0); // 输出一个解后退出 } return; } // 尝试所有可能的数字 for (int num = 2; num <= n; num++) { if (!used[num]) { // 检查与前一个数的和是否为素数 if (isPrime(num + ring[pos-1])) { ring[pos] = num; used[num] = true; backtrack(ring, used, n, pos + 1); // 递归搜索下一位置 used[num] = false; // 回溯 } } } } int main() { int n; cin >> n; vector<int> ring(n); vector<bool> used(n+1, false); // 固定第一个数为1 ring[0] = 1; used[1] = true; backtrack(ring, used, n, 1); // 从第二个位置开始搜索 return 0; } ``` #### 算法核心步骤: 1. **初始化**:创建存储环的数组和标记使用状态的数组 2. **固定起点**:将数字 1 放在环的第一个位置 3. **回溯搜索**: - 尝试将未使用的数字放入当前位置 - 检查与前一个数字的和是否为素数 - 满足条件则递归处理下一位置 - 不满足则回溯(撤销选择) 4. **终止条件**: - 成功:填满环且首尾和为素数时输出结果 - 失败:所有可能尝试后无解 #### 时间复杂度: - 最坏情况:$O(n!)$(全排列) - 实际效率:通过素数检查剪枝大幅减少搜索空间 #### 示例执行(输入 6): ``` 4 3 2 5 6 1 ``` 验证:4+3=7(), 3+2=5(), 2+5=7(), 5+6=11(), 6+1=7(), 1+4=5()[^2][^3]
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