算法与数据结构面试宝典——经典N皇后问题详解

N 皇后问题

!!! question

根据国际象棋的规则,皇后可以攻击与之处在同一行或同一列或同一斜线上的棋子。给定 $n$ 个皇后和一个 $n \times n$ 大小的棋盘,寻找使得所有皇后之间无法相互攻击的摆放方案。

如下图所示,当 n = 4 n = 4 n=4 时,共可以找到两个解。从回溯算法的角度看, n × n n \times n n×n 大小的棋盘共有 n 2 n^2 n2 个格子,给出了所有的选择 choices 。在逐个放置皇后的过程中,棋盘状态在不断地变化,每个时刻的棋盘就是状态 state

在这里插入图片描述

下图展示了本题的三个约束条件:多个皇后不能在同一行、同一列、同一对角线。值得注意的是,对角线分为主对角线 \ 和次对角线 / 两种。

在这里插入图片描述

逐行放置策略

皇后的数量和棋盘的行数都为 n n n ,因此我们容易得到一个推论:棋盘每行都允许且只允许放置一个皇后

也就是说,我们可以采取逐行放置策略:从第一行开始,在每行放置一个皇后,直至最后一行结束。

如下图所示,为 4 4 4 皇后问题的逐行放置过程。受画幅限制,下图仅展开了第一行的其中一个搜索分支,并且将不满足列约束和对角线约束的方案都进行了剪枝。

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本质上看,逐行放置策略起到了剪枝的作用,它避免了同一行出现多个皇后的所有搜索分支。

列与对角线剪枝

为了满足列约束,我们可以利用一个长度为 n n n 的布尔型数组 cols 记录每一列是否有皇后。在每次决定放置前,我们通过 cols 将已有皇后的列进行剪枝,并在回溯中动态更新 cols 的状态。

那么,如何处理对角线约束呢?设棋盘中某个格子的行列索引为 ( r o w , c o l ) (row, col) (row,col) ,选定矩阵中的某条主对角线,我们发现该对角线上所有格子的行索引减列索引都相等,即对角线上所有格子的 r o w − c o l row - col rowcol 为恒定值

也就是说,如果两个格子满足 r o w 1 − c o l 1 = r o w 2 − c o l 2 row_1 - col_1 = row_2 - col_2 row1col1=row2col2 ,则它们一定处在同一条主对角线上。利用该规律,我们可以借助下图所示的数组 diag1 ,记录每条主对角线上是否有皇后。

同理,次对角线上的所有格子的 r o w + c o l row + col row+col 是恒定值。我们同样也可以借助数组 diag2 来处理次对角线约束。

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代码实现

请注意, n n n 维方阵中 r o w − c o l row - col rowcol 的范围是 [ − n + 1 , n − 1 ] [-n + 1, n - 1] [n+1,n1] r o w + c o l row + col row+col 的范围是 [ 0 , 2 n − 2 ] [0, 2n - 2] [0,2n2] ,所以主对角线和次对角线的数量都为 2 n − 1 2n - 1 2n1 ,即数组 diag1diag2 的长度都为 2 n − 1 2n - 1 2n1

=== “Python”

```python title="n_queens.py"
[class]{}-[func]{backtrack}

[class]{}-[func]{n_queens}
```

=== “C++”

```cpp title="n_queens.cpp"
[class]{}-[func]{backtrack}

[class]{}-[func]{nQueens}
```

=== “Java”

```java title="n_queens.java"
[class]{n_queens}-[func]{backtrack}

[class]{n_queens}-[func]{nQueens}
```

=== “C#”

```csharp title="n_queens.cs"
[class]{n_queens}-[func]{backtrack}

[class]{n_queens}-[func]{nQueens}
```

=== “Go”

```go title="n_queens.go"
[class]{}-[func]{backtrack}

[class]{}-[func]{nQueens}
```

=== “Swift”

```swift title="n_queens.swift"
[class]{}-[func]{backtrack}

[class]{}-[func]{nQueens}
```

=== “JS”

```javascript title="n_queens.js"
[class]{}-[func]{backtrack}

[class]{}-[func]{nQueens}
```

=== “TS”

```typescript title="n_queens.ts"
[class]{}-[func]{backtrack}

[class]{}-[func]{nQueens}
```

=== “Dart”

```dart title="n_queens.dart"
[class]{}-[func]{backtrack}

[class]{}-[func]{nQueens}
```

=== “Rust”

```rust title="n_queens.rs"
[class]{}-[func]{backtrack}

[class]{}-[func]{n_queens}
```

=== “C”

```c title="n_queens.c"
[class]{}-[func]{backtrack}

[class]{}-[func]{nQueens}
```

=== “Zig”

```zig title="n_queens.zig"
[class]{}-[func]{backtrack}

[class]{}-[func]{nQueens}
```

逐行放置 n n n 次,考虑列约束,则从第一行到最后一行分别有 n n n n − 1 n-1 n1 … \dots 2 2 2 1 1 1 个选择,因此时间复杂度为 O ( n ! ) O(n!) O(n!) 。实际上,根据对角线约束的剪枝也能够大幅地缩小搜索空间,因而搜索效率往往优于以上时间复杂度。

数组 state 使用 O ( n 2 ) O(n^2) O(n2) 空间,数组 colsdiags1diags2 皆使用 O ( n ) O(n) O(n) 空间。最大递归深度为 n n n ,使用 O ( n ) O(n) O(n) 栈帧空间。因此,空间复杂度为 O ( n 2 ) O(n^2) O(n2)

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转载自blog.csdn.net/zy_dreamer/article/details/132865440