回溯算法,择优搜索:树的深搜+剪枝

回溯法又称“试探法”,按照优选条件去向前搜索,以达到目标。如果在搜索到某一步时,发现原先这样并不能满足条件,就回退一步重新选择,这种走不通就退回来再走的技术称为回溯法。做回溯法的题目时,有添加状态或元素就一定有与之对应的回退状态和元素。若是寻找成功,回退以查看有没有其他满足条件的解;如果寻找不成功,回退以查看其它情况。

回溯的关键不在于递归,而在于“状态”。在回溯算法向前的每一步,你都会去设置某个状态,而当向前走走不通的时候回退,此时需要把之前设置的状态撤销掉。

更抽象的,可以将回溯算法理解为深度遍历一颗N叉树,每个叶子结点都是一种方案的终态,而对某条路线的判断可能在访问到叶子结点之前就结束。

如三个数字1、2、3的全排列:

相比动态规划,回溯可以解决的问题更复杂,尤其是针对具有后效性的问题。

动态规划之所以无法处理有后效性问题,原因是其 dp(i)=F(dp(j)) 其中 0<=j

而回溯,由于每条分支判断是相互独立的,互不影响,所以即便前面的选择具有后效性,这个后效性也可以在这条选择线路持续影响下去,而不影响其他分支。

回溯法是非线性解空间深度优先遍历时,不是一味的穷举,而是构造约束或限界条件(包含状态变量),当某一分支遇到约束或限界条件时,即回转到该分支的分叉口(状态变量恢复初始值),转而搜索另一条路径,直到求得一个满足目标条件或目标函数的解。或者,当满足目标条件或目标函数时,即回转到该分支的分叉口,转而搜索另一条路径,直到求得另一个解。

回溯法过程如下:

① 构造空间树;

② 进行遍历;

③ 如遇到边界或约束条件,即不再向下搜索,转回至分叉点,搜索另一个分支;

④ 达到目标条件,输出结果。

在一般情况下使用递归函数来实现回溯法比较简单,其中 i 为搜索的深度,框架如下:

void Backtracking()
{
    If you are already at a solution, report success.
    for ( every possible choice in the current position )
    {
        1 Make that choice and take one step along the path.
        2 Use recursion to solve the problem from the new position.
        3 If the recursive call succeeds, report the success to the next higher level.
        4 If not, back out of the current choice to restore the previous state.
    }
    Report failure.
}

伪代码:

int a[n] = {0}; // 定义初始状态,通常为全局数组 ①
try(int i)	
{	
    if(i>n)	
        //输出结果;	
    else	
    {	
        for(j =下界; j <= 上界; j=j+1) //枚举i所有可能的路径	
        {	
            if(fun(j)) //满足约束或限界条件,包含状态变量
            {	
                a[i] = j;	 // 更新状态 ②
                ... //其他操作	
                try(i+1);	
                a[i] = 0; // 回溯前的清理工作(如a[i]置空值等,状态回退或回复);	③
            }	
        }	
    }	
}

回溯法一般是在一个序列里做选择,序列的大小构成了树的宽度,递归的深度构成的树的深度。

for (选择:本层集合中元素(树中节点孩子的数量就是集合的大小)) {
    处理节点;
    backtracking(路径,选择列表); // 递归
    回溯,撤销处理结果
}

for循环就是遍历序列,可以理解一个节点有多少个孩子,这个for循环就执行多少次。可以理解为横向的遍历。

backtrack就是自己调用自己,可以理解为纵向的遍历。

1 分书问题使用回溯法

有编号为0,1,2,3,4的5本书,准备分给5个人A,B,C,D,E,写一个程序,输出所有皆大欢喜的分书方案。

code demo:

#include 
using namespace std;
const int NUMS = 5;

int like[NUMS][NUMS]={  // 每个人的阅读兴趣用一个二维数组like描述
    {0,0,1,1,0},        // like[i][j] = true // i喜欢书j
    {1,1,0,0,1},        // Like[i][j] = false // i不喜欢书j
    {0,1,1,0,1},
    {0,0,0,1,0},
    {0,1,0,0,1}};
int take[NUMS]={0};    // 记录每一本书的分配情况,定义状态, 全局变量
int solutions = 0;     // 分书方案数
void trynext(int i);
void printScheme();

int main()
{
    trynext(0);
    getchar();
    return 0;
}

void trynext(int i)         //对第 i 个人进行分配
{
    for(int j=0;j

2 八皇后问题使用回溯法求解

八皇后问题显然具有 “强烈的” 后效性,因为皇后攻击范围是由其位置决定的,换而言之,一个皇后位置确定后,其他皇后的可能摆放位置会发生变化,因此只能用回溯算法。

在做回溯时,需要决定搜索合法、不合法以及结束时的动作。如果当前搜索节点合法,就可以进行下一层次的搜索。如果当前搜索节点不合法,则回退到上一个合法节点,继续进行下一步的搜索。如果搜索推进到最后一层且节点合法,则搜索到符合要求的结果,将该结果加入到结果列表。

用经典的8皇后问题对应举例,待搜索的行一共8行。如果当前节点x,y合法,就可以搜索x+1行,遍历所有8个y节点位置。如果当前搜索节点不合法,就要回退到x行的初始参数,搜索其余的y节点。如果搜索推进到第8行,且当前节点合法,则搜索到一个解,可将其加入结果列表。

code demo:

#include 
#define n 4
int column[n*2] = {0}; // 初始状态
int  diag1[n*2] = {0};
int  diag2[n*2] = {0};
int count = 0;

void search(int y) {
    if (y == n) {
        count++;
        return;
    }
    for (int x = 0; x < n; x++) {
        if (column[x] || diag1[x+y] || diag2[x-y+n-1]) 
            continue;
        column[x] = diag1[x+y] = diag2[x-y+n-1] = 1; // 更新状态
        search(y+1); //  dfs 下一层
        column[x] = diag1[x+y] = diag2[x-y+n-1] = 0; // 回退时的逆操作,下一轮循环x++,状态回退
    }
    return;
}

main()
{
    search(0);
    printf("%d
",count);
    getchar();
}
/*
n=4, 2
n=8, 92
n=16, 14772512
*/

code demo2:

#include          //回溯法(递归)
#include             //求绝对值函数需要引入该头文件
#define M 105
using namespace std;

int n;                      // n表示n个皇后
int x[M];                   // x[i]表示第i个皇后放置在第i行第x[i]列,表示解空间
int countn;                 // countn表示n皇后问题可行解的个数

bool Place(int t)           // 判断第t个皇后能否放置在第x[t]个位置
{
    bool flag=true;
    for(int j=1;jn)                        // 如果当前位置为n,则表示已经找到了问题的一个解
    {
        countn++;
        for(int i=1; i<=n;i++)    // 打印选择的路径
          cout<>n;
    countn=0;
    Backtrack(1);
    cout <<"答案的个数是:"<

以上代码可以在以下站点做可视化运行过程跟踪:

https://pythontutor.com/render.html

3 迷宫maze问题

// 老鼠走迷宫是递回求解的基本题型,
// 我们在二维阵列中使用2表示迷宫墙壁,使用1来表示老鼠的行走路径,
// 试以程式求出由入口至出口的路径。
#include
#include
int visit(int,int);
int maze[7][7]={
    {2,2,2,2,2,2,2},
    {2,0,0,0,0,0,2},
    {2,0,2,0,2,0,2},
    {2,0,0,2,0,2,2},
    {2,2,0,2,0,2,2},
    {2,0,0,0,0,0,2},
    {2,2,2,2,2,2,2}};
int startI=1, startJ=1; // 入口
int endI=5,endJ=5;      // 出口
int success=0;
void showMaze()
{
    int i,j;
    printf("显示迷宫:
");
    for (i = 0; i < 7; i++)
    {
        for (j = 0; j < 7; j++)
            if (maze[i][j] == 2)
                printf(" ");
            else
                printf("  ");
            printf("
");
    }
}
// 老鼠的走法有上、左、下、右四个方向,
// 在每前进一格之后就选一个方向前进,无法前进时退回选择下一个可前进方向,
// 如此在阵列中依序测试四个方向,直到走到出口为止
int visit(int i,int j) { 
    maze[i][j] = 1; 
    if (i == endI && j == endJ) 
        success = 1;  // 状态更新
    if(success!=1 && maze[i]  [j+1]==0) visit(i  ,j+1);
    if(success!=1 && maze[i+1][j]  ==0) visit(i+1,j  );
    if(success!=1 && maze[i]  [j-1]==0) visit(i  ,j-1);
    if(success!=1 && maze[i-1][j]  ==0) visit(i-1,j  );
    if(success!=1)
        maze[i][j]=0; // 回溯,状态回退到初始化
    return success;
}

int main()
{
    
    showMaze();
    if(visit(startI,startJ)==0)
        printf("
没有找到出口!n");
    else{
        printf("
显示路径:
");
        for(int i=0; i<7; i++)
        {
            for(int j=0; j<7; j++)
            {
                if(maze[i][j]==2)
                    printf(" ");
                else if(maze[i][j]==1)
                    printf(" ");
                else
                    printf("  ");
            }
            printf("
");
        }
    }
    getchar();
    return 0;
}

maze code demo2

#include 
#include 

#define ROW 10
#define COL 12

#define EAST maze[x][y+1]
#define WEST maze[x][y-1]
#define SOUTH maze[x+1][y]
#define NORTH maze[x-1][y]

#define ExitX (ROW-2)
#define ExitY (COL-2)

int maze[ROW][COL]={1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,	/*声明迷宫数组*/
		            1,2,0,0,1,1,0,1,1,1,1,1,
				    1,1,1,0,1,1,0,0,0,0,1,1,
					1,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,
					1,1,1,0,0,0,0,1,0,0,0,1,
					1,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,
					1,0,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,
					1,0,1,0,1,1,0,0,1,0,1,1,
					1,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,1,
					1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1};


struct list
{
    int x,y;
    struct list* next;
};
typedef struct list node;
typedef node* link;

link push(link stack, int x, int y)
{
    link newnode;
    newnode = (link)malloc(sizeof(node));
    if(!newnode)
    {
        printf("Error! 内存分配失败!
");
        return NULL;
    }
    newnode->x = x;
    newnode->y = y;
    newnode->next = stack;
    stack = newnode;
    return stack;
}

link pop(link stack, int* x, int* y)
{
    link top;
    if(stack!=NULL)
    {
        top = stack;
        stack = stack->next;
        *x = top->x;
        *y = top->y;
        free(top);
        return stack;
    }
    else
        *x = -1;
    return stack;
}

int chkExit(int x, int y, int ex, int ey)
{
    if(x==ex && y == ey)
    {
        if(NORTH == 1 || SOUTH == 1 || WEST == 1 || EAST == 2)
            return 1;
        if(NORTH == 1 || SOUTH == 1 || WEST == 2 || EAST == 1)
            return 1;
        if(NORTH == 1 || SOUTH == 2 || WEST == 1 || EAST == 1)
            return 1;
        if(NORTH == 2 || SOUTH == 1 || WEST == 1 || EAST == 1)
            return 1;
    }
    return 0;
}

void output()
{
    for(int i=0; i

ref

https://zhuanlan.zhihu.com/p/384626884

-End-

页面更新:2024-03-16

标签:递归   算法   结点   迷宫   老鼠   叶子   元素   路线   状态   条件

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