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递归算法学习系列之八皇后问题

2013年01月31日 ⁄ 综合 ⁄ 共 4875字 ⁄ 字号 评论关闭

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

 

1.引子

  
中国有一句古话,叫做“不撞南墙不回头",生动的说明了一个人的固执,有点贬义,但是在软件编程中,这种思路确是一种解决问题最简单的算法,它通过一种类
似于蛮干的思路,一步一步地往前走,每走一步都更靠近目标结果一些,直到遇到障碍物,我们才考虑往回走。然后再继续尝试向前。通过这样的波浪式前进方法,
最终达到目的地。当然整个过程需要很多往返,这样的前进方式,效率比较低下。

2.适用范围

   适用于那些不存在简明的数学模型以阐明问题的本质,或者存在数学模型,但是难于实现的问题。

3.应用场景

   在8*8国际象棋棋盘上,要求在每一行放置一个皇后,且能做到在竖方向,斜方向都没有冲突。国际象棋的棋盘如下图所示:

3c3f32555ed870c1b745aeb2

4.分析

 
基本思路如上面分析一致,我们采用逐步试探的方式,先从一个方向往前走,能进则进,不能进则退,尝试另外的路径。首先我们来分析一下国际象棋的规则,这些
规则能够限制我们的前进,也就是我们前进途中的障碍物。一个皇后q(x,y)能被满足以下条件的皇后q(row,col)吃掉

1)x=row(在纵向不能有两个皇后)

2)  y=col(横向)

3)col + row = y+x;(斜向正方向)

4)  col - row = y-x;(斜向反方向)

遇到上述问题之一的时候,说明我们已经遇到了障碍,不能继续向前了。我们需要退回来,尝试其他路径。

我们将棋盘看作是一个8*8的数组,这样可以使用一种蛮干的思路去解决这个问题,这样我们就是在8*8=64个格子中取出8个的组
合,C(64,80) =
4426165368,显然这个数非常大,在蛮干的基础上我们可以增加回溯,从第0列开始,我们逐列进行,从第0行到第7行找到一个不受任何已经现有皇后
攻击的位置,而第五列,我们会发现找不到皇后的安全位置了,前面四列的摆放如下:

image

第五列的时候,摆放任何行都会上图所示已经存在的皇后的攻击,这时候我们认为我们撞了南墙了,是回头的时候了,我们后退一列,将原来摆放在第四列的
皇后(3,4)拿走,从(3,4)这个位置开始,我们再第四列中寻找下一个安全位置为(7,4),再继续到第五列,发现第五列仍然没有安全位置,回溯到第
四列,此时第四列也是一个死胡同了,我们再回溯到第三列,这样前进几步,回退一步,最终直到在第8列上找到一个安全位置(成功)或者第一列已经是死胡同,
但是第8列仍然没有找到安全位置为止

总结一下,用回溯的方法解决8皇后问题的步骤为:

1)从第一列开始,为皇后找到安全位置,然后跳到下一列

2)如果在第n列出现死胡同,如果该列为第一列,棋局失败,否则后退到上一列,在进行回溯

3)如果在第8列上找到了安全位置,则棋局成功。

8个皇后都找到了安全位置代表棋局的成功,用一个长度为8的整数数组queenList代表成功摆放的8个皇后,数组索引代表棋盘的col向量,而数组的值为棋盘的row向

量,所以(row,col)的皇后可以表示为(queenList[col],col),如上图中的几个皇后可表示为:

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

我们看一下如何设计程序:

首先判断(row,col)是否是安全位置的算法:

  
bool
 IsSafe(
int
 col,
int
 row,
int
[] queenList)

        


{

            

//
只检查前面的列


            
for
 (
int
 tempCol 
=
 
0
; tempCol 
<
 col; tempCol
++
)

            


{

                

int
 tempRow 
=
 queenList[tempCol];

                

if
 (tempRow 
==
 row)

                


{

                    

//
同一行


                    
return
 
false
;

                }




                

if
 (tempCol 
==
 col)

                


{

                    

//
同一列


                    
return
 
false
;

                }




                

if
 (tempRow 
-
 tempCol 
==
 row 
-
 col 
||
 tempRow 
+
 tempCol 
==
 row 
+
 col)

                


{

                    

return
 
false
;

                }




            }




            

return
 
true
;

        }

设定一个函数,用于查找col列后的皇后摆放方法:


///
 
<summary>


        

///
 在第col列寻找安全的row值

        

///
 
</summary>


        

///
 
<param name="queenList"></param>


        

///
 
<param name="col"></param>


        

///
 
<returns></returns>


        
public
 
bool
 PlaceQueue(
int
[] queenList, 
int
 col)

        


{

            

int
 row 
=
 
0
;

            

bool
 foundSafePos 
=
 
false
;

            

if
 (col 
==
 
8

//
结束标志


            

{

                

//
当处理完第8列的完成


                foundSafePos 
=
 
true
;

            }




            

else


            


{

                

while
 (row 
<
 
8
 
&&
 
!
foundSafePos)

                


{

                    

if
 (IsSafe(col, row, queenList))

                    


{

                        

//
找到安全位置


                        queenList[col] 
=
 row;

                        

//
找下一列的安全位置


                        foundSafePos 
=
 PlaceQueue(queenList, col 
+
 
1
);

                        

if
 (
!
foundSafePos)

                        


{

                            row

++
;

                        }




                    }




                    

else


                    


{

                        row

++
;

                    }




                }




            }




            

return
 foundSafePos;

        }

调用方法:

 
static
 
void
 Main(
string
[] args)

        


{

            EightQueen eq 

=
 
new
 EightQueen();

            

int
[] queenList 
=
 
new
 
int
[
8
];

            

for
 (
int
 j 
=
 
0
; j 
<
 
8
; j
++
)

            


{

                Console.WriteLine(

"
-----------------
"
+
j
+
"
---------------------
"
);

                queenList[

0

=
 j;

                

bool
 res 
=
 eq.PlaceQueue(queenList, 
1
);


                

if
 (res)

                


{

                    Console.Write(

"
   
"
);       

                    

for
 (
int
 i 
=
 
0
; i 
<
 
8
; i
++
)

                    


{

                        Console.Write(

"
 
"
 
+
 i.ToString() 
+
 
"
 
"
);       

                    }




                    Console.WriteLine(

""
);

                    

for
 (
int
 i 
=
 
0
; i 
<
 
8
; i
++
)

                    


{

                        Console.Write(

"
 
"
+
i.ToString()
+
"
 
"
);                       

                        

for
 (
int
 a 
=
 
0
; a 
<
 
8
; a
++
)

                        


{                           

                            

if
 (i 
==
 queenList[a])

                            


{

                                Console.Write(

"
 q 
"
);

                            }




                            

else


                            


{

                                Console.Write(

"
 * 
"
);

                            }




                        }




                        Console.WriteLine(

""
);

                                

                    }




                  

                    Console.WriteLine(

"
---------------------------------------
"
);

                }




                

else


                


{

                    Console.WriteLine(

"
不能完成棋局,棋局失败!
"
);

                }




            }




            Console.Read();

        }

递归算法PlaceQueue
,完成这样的功能:它寻找第col列后的皇后的安全摆放位置,如果该函数返回了false,表示当前进入了死胡同,需要进行回溯,直到为0-7列都找

到了安全位置或者找遍这些列都找不到安全位置的时候终止。

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