回溯法与N皇后问题

回溯法是一种指数级搜索策略,用于在解决问题时找到具有特定特性的元素。本文通过N皇后问题来阐述回溯法的工作原理,详细解释了如何通过回溯法解决N皇后问题,并给出了具体实现,包括C语言和C++代码示例。

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回溯法

回溯法是用来解决这样的问题:在相对于问题的输入规模按照指数速度增长的域中,找出一个具有指定特性的元素,如在图顶点的所有排列中求一个哈密顿回路,或者背包问题。

回溯法实际上是对穷举查找的优化 。它通过对所做的选择构造一颗所为的空间状态树来实现。具体来说,树的根节点表示在查找前的初始状态,树的第一层节点表示对解得第一个分量做的选择,以此类推。如果一个部分的构造解仍然有可能导致一个完整解,我们就说这个部分解在树中的相应节点是有希望的,否则就是无希望的。叶子节点则要么代表没希望的死胡同,要么代表算法的完整解。如果当前节点是有希望的,则向部分解添加下一个分量的第一个合法选择,进而将问题转向下一层的子女节点。如果当前节点无希望了,则回溯到其父母节点,考虑下一个可能选择。如果选择不存在,则继续回溯。直到找到完整解为止。

下面用N皇后问题来具体解释:

N皇后问题

从空棋盘开始,把皇后1放在第一行第一列。然后放皇后2,1、2列尝试失败,把它放在第三个位置,即格子(2,3),但是这被证明是一个死胡同,因为皇后三将无位置可以放,因此皇后2回溯到(2,4),这样皇后3可以放到(3,2),但是这又是另一个死胡同。就这样不断的向下试探,不行就回溯到上层,直到找到最终的完整解。以下给出4皇后的状态空间树:

n皇后问题是经典的回溯算法问题,目标是在一个n×n的棋盘上放置n个皇后,使得任意两个皇后都不在同一行、同一列,也不在同一对角线上。在C++中,你可以使用穷举法通过递归的方式来解决这个问题。以下是简单的步骤: 1. 定义一个二维数组`board`表示棋盘,初始化所有元素为0。 2. 使用一个变量`col`记录当前列数,从1到n。 3. 函数`solveNQueens(int n, int board[n][n], int row)`作为主函数,递归地尝试将皇后放在每一列。 4. 在`row`位置放皇后之前,检查当前位置是否违反了规则(同一行、同一列或对角线)。如果满足条件,就继续下一行;如果不满足,则回溯并尝试下一个位置。 5. 如果所有皇后都成功摆放,打印结果或者计数加一。 ```cpp #include <iostream> // 检查当前位置是否合法 bool isValid(int row, int col, int board[n][n]) { // 同一行、同一列 for (int i = 0; i < col; ++i) if (board[row][i] == 1) return false; // 对角线检查 int dia1 = row + col - 1, dia2 = row - col; for (int i = 0; i < row; ++i) { if (board[i][dia1] == 1 || board[i][dia2] == 1) return false; dia1 -= 2; dia2 += 2; } return true; } void solveNQueens(int n, int board[n][n], int row) { if (row == n) { // 当前行已满,解决方案找到 // 打印或统计解决方案 // ... return; } for (int col = 0; col < n; ++col) { if (isValid(row, col, board)) { board[row][col] = 1; // 放置皇后 solveNQueens(n, board, row + 1); // 递归尝试下一行 board[row][col] = 0; // 回溯,移除皇后 } } } int main() { int n; std::cout << "Enter the size of the chessboard: "; std::cin >> n; int board[n][n]; solveNQueens(n, board, 0); return 0; }
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