n皇后问题及回溯法

问题引入:

八皇后问题:在8*8格的国际象棋上摆放8个皇后,使其不能互相攻击,即任意两个皇后都不能处于同一行、同一列或同一斜线上,问有多少种摆法。
解决此问题用回溯法,用树形结构表示求解过程。

回溯法介绍:

回溯法是一类非常重要的算法设计方法,有“通用解题法”之称。

回溯法(探索与回溯法):一种选优搜索法,又称试探法。利用试探性的方法,在包含问题所有解的解空间树中,将可能的结果搜索一遍,从而获得满足条件的解。搜索过程采用深度遍历策略,并随时判定结点是否满足条件要求,满足要求就继续向下搜索,若不满足要求则回溯到上一层,这种解决问题的方法称为回溯法。

回溯法解求解问题步骤
1,针对给定问题,定义问题的解空间树,
2,确定易于搜索的解空间结构
3,以深度优先方式搜索解空间,并且在搜索过程中永剪枝函数避免无效搜索。
解空间树:是依据待求解问题的特性,用树结构表示问题的解结构、用叶子表示问题所有可能的解的一棵树。

解空间树的形成过程:我们可以把求解问题的过程当作一系列的决定来考虑,回溯法对每一个决定都系统地分析所有可能的结果。而每一次决定即为解空间树中的一个分支结点,各种可能的结果便形成了各棵不同的子树,问题最终所有可能的解将展现在所有的叶子上。这便是解空间树的形成过程。对解空间树的遍历可搜索到问题所有可能的解,因此,可获得满足要求的全部解,也可通过对所有解的比较选择获得最优解。
三皇后问题(无解):
在这里插入图片描述

回溯法解决n皇后问题:

由于N皇后问题不允许两个皇后在同一行,所以,可用一维数组X表示N皇后问题的解,X[i]表示第i行的皇后所在的列号。
由上述X数组求解N皇后问题,保障了任意两个皇后不在同一行上,而判定皇后彼此不受攻击的其他条件,可以描述如下:

(1)X[i] = X[s],则第i行与第s行皇后在同一列上。

(2)如果第i行的皇后在第j列,第s行皇后在第t列,即X[i] = j和X[s] = t,则只要i-j = s-t或者i+j = s+t,说明两个皇后在同一对角线上。

对两个等式进行变换后,得到结论:只要|i-s| = |j-t|(即i-s = X[i]-X[s]),则皇后在同一对角线上。

解N皇后问题需要遍历解空间树,遍历中要随时判定当前结点棋盘布局是否符合要求,符合要求则继续向下遍历,直至判断得到一个满足约束条件的叶子结点,从而获得一个满足要求的棋盘布局;不符合要求的结点将被舍弃(称之为剪枝),并回溯到上一层的结点继续遍历。当整棵树遍历结束时,已获得所有满足要求的棋盘布局。
Java算法:

/*
 * 求解N皇后问题的回溯算法
 * 棋盘为n*n,函数从第index行起求解皇后的布局,本函数初始调用为tria(1, n)
 */
public void tria(int index, int n) {
	if(index > n) {
		// TODO 输出X数组(也可以改写算法,比如记录满足约束的棋盘个数)
	} else {
		//依次生成各孩子结点
		for(int j = 1; j <= n; j++) {
			//第index行的皇后放入第j列
			X[index] = j;
			if(place(index)) {
				tria(i+1, n);
				//结点满足约束条件,则递归进入下一层继续遍历,否则跳过
			}
		}
	}
}
 
/*
 * 皇后位置满足约束条件的判定函数
 */
private boolean place(int s) {
	//判定s行X[s]位置上的皇后,与1至s-1行上各皇后的位置是否满足约束条件
	for(int i = 1; i < s; i++) {
		if((X[i] == X[s]) || (Math.abs(i-s) == Math.abs(X[i]-X[s]))) {
			return false;
		}
	}
	
	return true;
}

n皇后代码:

import java.util.Scanner;

public class Main {
	static int ans=0;
	private static boolean place(int[] a,int s) {
		for(int i=0;i<s;i++) {
			if((a[i]==a[s])||(Math.abs(i-s)==Math.abs(a[i]-a[s]))) {
				return false;
			}
		}
		return true;
	}
	public static void tria(int[] a,int i,int n) {
		if(i>=n) {
			ans++;
		}else {
			for(int j=0;j<n;j++) {
				a[i]=j;
				if(place(a,i)) {
					tria(a,i+1,n);
				}
			}
		}
	}
	public static void main(String[] args) {
		Scanner in=new Scanner(System.in);
		int n=in.nextInt();
		int[] queen=new int[n];
		tria(queen,0,n);
		System.out.println(ans);
	}
}

当n=8时,输出92.

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