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(八)回溯法

2014年09月05日 ⁄ 综合 ⁄ 共 2275字 ⁄ 字号 评论关闭

        

        回溯法(back track method)也称为试探法,是蛮力法的改进。在包含问题的所有可能解空间中,从根节点处罚,按照深度优先策略进行搜索,对于解空间树的某个节点,如果该节点满足问题的约束条件,则进入该子树继续进行搜索,否则将以该节点为根节点进行剪枝。回溯法常常可以避免搜索所有可能解,适用于组合较数较大的问题。


采用回溯法解决0/1背包问题。

        【问题描述】:


        例如,对于n=3的0/1背包问题,三个物品的重量为{20, 15, 10},价值为{20, 30, 25},背包容量为25,从图8.2所示的解空间树的根结点开始搜索,搜索过程如下。




        从物品一号开始,分为两种情况,如果将物品一放入到背包中,或者将物品一不放入背包中,于是节点1的两个分支 2 和9 , 分支2表示将物品一放到背包中,从节点1到达节点9表示将物品一不放入背包中。同理,依次类推。

        这样我们就可以用树的形式展示出各种路径,再分别计算每种方案价值,从而得到最优解。


        【C代码】:

int BackTrack(int i)
{
	if(i>n-1){
		if(bestP<cp){
			for (int k=0;k<n;k++)	X[k]=cx[k];//存储最优路径
			bestP=cp;
		}
		return bestP;
	}
	if(cw+a[i].w<=C){	//进入左子树
		cw=cw+a[i].w;
		cp=cp+a[i].p;
		cx[a[i].sign]=1;	//装入背包
		BackTrack(i+1);
		cw=cw-a[i].w;
		cp=cp-a[i].p;	//回溯,进入右子树
	}
	cx[a[i].sign]=0;	//不装入背包
	BackTrack(i+1);
	return bestP;
}
int KnapSack3(int n,goods a[],int C,int x[])
{
	for(int i=0;i<n;i++)
	{
		x[i]=0;
		a[i].sign=i;
	}
	sort(a,a+n,m);//将各物品按单位重量价值降序排列
	BackTrack(0);
	return bestP;
}




利用回溯法解决图的找色问题。

        【问题描述】:

        给定无向连通图G=(V, E)和正整数m,求最小的整数m,使得用m种颜色对G中的顶点着色,使得任意两个相邻顶点着色不同。

        【步骤】:

        回溯法求解图的着色问题,首先把所有的定点颜色初始化为0,然后依次为每个顶点着色。在图着色对应的解空间树中,如果从根节点到当前节点对应一个部分解,也就是颜色指派都没有冲突,则在当前节点对应一个部分解,也就是所有的颜色指派都没有冲突,则在当前节点处选择第一颗子树继续搜索,也就是为下一个顶点着色1,否则,对当前子树的兄弟子树继续搜索,也就是为当前顶点着下一个颜色如果所有m种颜色都已尝试过且都发生冲突,则回溯到当前节点的父节点处,上一个顶点的颜色被改变,依次类推。


        【例题】:


        如下无向图所示,为A,B,C,D,E,分别给每个点着色,着三种颜色 1,2,3。并且相邻的颜色不相同。请问A,B,C,D,E分别着哪种颜色?






        利用回溯方法求解解空间,解空间树如下图所示:





        【解题说明】:

        节点1到2我们给顶点A着色 第一种颜色,从节点2开始我们给无向图的B点着色,节点2到节点3我们给B着色1;当我们给B着色1,出现错误,因为A和B相邻,A已经着色1了,所以B不能再着色1。于是我们回溯到根节点,节点2,增加新的分支,节点2到节点4我们给B着色2,此时不会出现任何的冲突。


        我们继续给无向图C点着色,节点4到节点5表示给C着色1,出现冲突回溯到根节点4;节点4到节点6,表示给C着色2,同样会出现冲突,回溯到根节点;节点4到节点7表示给C着色3,不会出现冲突,这样就可以接着给无向图D点着色。


        给D着色1,不会出现冲突,这样接着给E着色。因为D已经着色1了,再给E着色1出现冲突;给E着色2出现冲突;给E着色3出现冲突;树中的节点8到11 12 13 分别表示这三种情况。都会出现冲突,这样回溯到根节点7。

根节点7到10表示给D着色3,不会产生冲突。继续给E着色,给E着色1,进行验证,不产生冲突,这样我们就找到了一个合适的解。


        图中剪枝的部分为黄色节点的部分,是产生冲突的解。所以最终无向图点ABCDE点的解围为{1,2,3,3,1}。



        【C代码部分】:


    void GraphColor(int n, int c[ ][ ], int m)  
    //所有数组下标从1开始
   { 
        for (i=1; i<=n; i++ )     //将数组color[n]初始化为0
        color[i]=0;
        k=1;
       while (k>=1)
       {
          color[k]=color[k]+1;
          while (color[k]<=m)
          if Ok(k) break;
          else color[k]=color[k]+1;   //搜索下一个颜色
          if (color[k]<=m && k= =n) //求解完毕,输出解
          {
               for (i=1; i<=n; i++)
                   cout<<color[i];
               return; 
          }
          else if (color[k]<=m && k<n) 
                       k=k+1;             //处理下一个顶点
                  else {
                       color[k]=0;
                       k=k-1;    //回溯
                 }
         }
   }

   bool Ok(int k)   //判断顶点k的着色是否发生冲突
  {
       for (i=1; i<k; i++) 
          if (c[k][i]= =1 && color[i]= =color[k])
               return false;
      return true;
  }

        本节完毕,下一节分支限界算法



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